KR102586582B1 - 혼합 현실을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
가상 이미지 생성 시스템은, 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 평면 광 도파관, 이미지 투사 어셈블리로부터의 시준된 광 빔을 인-커플링된 광 빔으로서 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트, 인-커플링된 광 빔을 제1 세트의 직교 광 빔렛들로 분할하기 위한, 평면 광 도파관의 제1 면과 연관된 제1 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트, 인-커플링된 광 빔을 제2 세트의 직교 광 빔렛들로 분할하기 위한, 평면 광 도파관의 제2 면과 연관된 제2 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트, 및 제1 세트의 직교 광 빔렛들 및 제2 세트의 직교 광 빔렛들을 평면 광 도파관을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 어레이로 분할하기 위한, 평면 광 도파관과 연관된 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트를 포함한다.
Description
[0001] 본 개시내용은 가상 현실, 증강 현실 및 혼합 현실 이미징 및 시각화 시스템들에 관한 것이다.
[0002] 현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실(VR)" 또는 "증강 현실(AR)" 경험들을 위한 "혼합 현실(MR)" 시스템들의 개발을 가능하게 했으며, 여기서 디지털방식으로 재생된 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나, 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제공된다. VR 시나리오는 전형적으로 실제 실세계 시각 입력에 대한 투명성(transparency) 없는 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. AR 시나리오는 전형적으로 사용자 주위의 실세계의 시각화에 대한 증강(즉, 실세계 시각 입력에 대한 투명성)으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. 그에 따라서, AR 시나리오들은 실세계 시각 입력에 대한 투명도를 동반한 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다.
[0003] MR 시스템은 전형적으로, MR 시나리오들의 사실성을 증가시키는 컬러 데이터를 생성 및 디스플레이한다. 이들 MR 시스템들 중 다수는, 컬러 이미지에 대응하는 상이한(예컨대, 주요) 컬러들 또는 "필드들"(예컨대, 적색, 녹색 및 청색)의 서브-이미지들을 잇따라 순차적으로 투사함으로써 컬러 데이터를 디스플레이한다. 컬러 서브-이미지들을 충분히 높은 레이트들(예컨대, 60Hz, 120Hz 등)로 투사하는 것은 사용자의 생각으로는 원활한 컬러 MR 시나리오들을 전달할 수 있다.
[0004] 예컨대, 도 1을 참조하면, 증강 현실 장면(scene)(4)이 묘사되며, 여기서 AR/MR 기술의 사용자는 배경에 있는 사람들, 나무들, 빌딩들, 및 콘크리트 플랫폼(8)을 특징으로 하는 실세계 공원형 장소(6)를 본다. 이들 아이템들 외에도, AR/MR 기술의 최종 사용자는 또한, 자신이 실세계 플랫폼(8) 상에 서 있는 로봇 동상(10), 및 호박벌의 의인화인 것으로 보여지는 날고 있는 만화형 아바타 캐릭터(12)를 보는 것을 지각하더라도, 이들 엘리먼트들(10, 12)은 실세계에 존재하지 않는다. 밝혀진 바와 같이, 인간 시각 지각 시스템은 매우 복잡하고, 다른 가상 또는 실세계 이미저리 엘리먼트들 사이에서 가상 이미지 엘리먼트들의 편안하고, 자연스런 느낌의, 풍부한 프리젠테이션을 가능하게 하는 VR, AR 및/또는 MR 기술을 생성하는 것은 난제시된다.
[0005] VR, AR 및/또는 MR 시스템들은 사용자의 머리에 적어도 느슨하게 커플링된 머리-착용 디스플레이들(또는 헬멧-장착 디스플레이들 또는 스마트 안경)을 사용하고, 따라서 최종 사용자의 머리가 움직일 때 움직인다. 만약 최종 사용자의 머리 움직임들이 디스플레이 서브시스템에 의해 검출되면, 디스플레이되는 데이터는 머리 포즈(즉, 사용자의 머리의 배향(orientation) 및/또는 위치)의 변화를 고려하여 업데이트될 수 있다. AR/MR(즉, 실제 및 가상 오브젝트들의 동시성 뷰잉)을 가능하게 하는 머리-착용 디스플레이들은 몇몇의 상이한 타입들의 구성들을 가질 수 있다. "비디오 시스루(video see-through)" 디스플레이로서 종종 지칭되는 하나의 이러한 구성에서, 카메라는 실제 장면의 엘리먼트들을 캡처하고, 컴퓨팅 시스템은 캡처된 실제 장면 상에 가상 엘리먼트들을 중첩하며(superimpose), 불투명한 디스플레이는 합성 이미지를 눈들에 제공한다. 다른 구성은 "광학 시스루(optical see-through)" 디스플레이로서 종종 지칭되며, 여기서 최종 사용자는 환경의 실제 오브젝트들로부터의 광을 직접적으로 보기 위해 디스플레이 서브시스템의 투명한(또는 반투명한) 엘리먼트들을 통해 볼 수 있다. "결합기(combiner)"로서 종종 지칭되는 투명한 엘리먼트는 실세계의 최종 사용자의 뷰 위에 디스플레이로부터의 광을 중첩한다.
[0006] 일부 머리-착용 VR/AR/MR 시스템들은 최종 사용자의 시야에서 디스플레이 스크린, 및 디스플레이 스크린 상에 이미지들을 투사하는 이미지 투사 어셈블리를 이용한다. 일 예로서, 이미지 투사 어셈블리는 광섬유 스캔-기반 이미지 투사 어셈블리의 형태를 취할 수 있고, 디스플레이 스크린은 광학 도파관-기반 디스플레이의 형태를 취할 수 있고, 이미지 투사 어셈블리로부터의 스캔 및 시준된 광 빔들은 IC(in-coupling) 엘리먼트를 통해 광학 도파관-기반 디스플레이에 주입되고, IC 엘리먼트는 사용자의 눈들을 향해 광 도파관-기반 디스플레이의 표면을 출사하고(exit), 이로써 볼류메트릭(volumetric) 3D 오브젝트들을 표현하기 위해, 예컨대, 무한대보다 더 가까운 단일 광학 뷰잉 거리(예컨대, 팔의 길이)에서의 이미지들, 다수의 이산 공학 뷰잉 거리들 또는 초점 평면들에서의 이미지들 및/또는 다수의 뷰잉 거리들 또는 초점 평면들에 스택된 이미지 계층들을 생성한다.
[0007] 머리-착용 VR/AR/MR 시스템에서, 고정된 눈동자 거리(fixed eye relief)(즉, 디스플레이 스크린의 마지막 표면과 사용자의 눈 또는 눈들로부터의 거리)를 고려해 볼 때, 기구를 사용자의 눈(단안 어레인지먼트의 경우에) 또는 눈들(양안 어레인지먼트의 경우에)에 적절히 커플링하기 위해, 사용자의 눈의 입사 동공(즉, 각막을 통해 보여지는 해부학적 동공의 이미지)이 디스플레이 스크린의 출사 동공과 정렬되고 이와 유사한 사이즈(즉, 사용자의 눈에 이용가능한 광 원뿔의 폭)를 갖는 것이 중요하다. 사용자의 눈의 입사 동공보다 더 작은 디스플레이 스크린의 출사 동공은 종종 비네트(vignette) 또는 클립 이미지를 산출할 것인 반면에, 사용자의 눈의 입사 동공보다 더 큰 디스플레이 스크린의 출사 동공은 일부 광을 낭비하지만, 이미지의 비네팅 또는 클리핑 없이 눈의 움직임을 허용한다.
[0008] 머리-착용 VR/AR/MR 시스템의 착용성 및 편안함을 증가시키기 위해, 이미지 소스, 및 일부 경우들에서, 이미지 투사 어셈블리를 가능한 한 더 많이 최소화하는 것이 바람직하다. 이러한 이미지 투사 어셈블리는, 눈과 디스플레이 스크린 사이의 합리적인 눈동자 거리를 가정하면, 개재(intervention) 없이 일부 눈들의 입사 동공보다 훨씬 더 작은 출구 동공을 초래할 것이다. 이로써, 광학기는, 사용자의 눈의 입사 동공과 매칭시키도록 디스플레이 스크린의 출사 동공을 효과적으로 확장시키기 위해 디스플레이 서브시스템에 통합된다. 즉, 디스플레이 스크린의 출사 동공은, 아이 박스(eye box) 내의 눈의 움직임이 디스플레이 스크린에 의해 제공된 이미지의 풀 뷰를 유지하게 허용하기 위해, 사용자의 눈의 입사 동공(예컨대, 5-7mm)보다 약간 더 큰 "아이 박스"(예컨대, 10mm)를 생성해야 한다.
[0009] 디스플레이 스크린의 출사 동공과 사용자의 눈(들)의 입사 동공을 매칭시키는 것 외에도, 각도 해상도를 최대화하고, 피사계 심도(depth of field)를 최소화하며, VR/AR/MR 시스템의 디스플레이 스크린의 파면 밀도의 밀도를 최대화하는 것이 바람직하다. 각도 해상도를 최대화하는 것은 더 선명하고 더 생생한 가상 이미지를 발생시키고, 파면 밀도를 최대화하는 것은 이미지 아티팩트들(이를테면, "스크린 도어" 효과(그리드형 패턴 및 비-균일성))를 완화시키고, 피사계 심도를 최소화하는 것은 사용자가 현재 포커싱한 가상 콘텐츠에 사용자가 더 용이하게 원근조절하게 허용한다. 즉, 피사계 심도가 더 작을수록, 눈이 가상 콘텐츠에 더 쉽게 원근조절하여, 더 자연스러운 시각 실세계 경험을 제공하는 반면에, 피사계 심도가 더 클수록, 눈이 가상 콘텐츠에 원근조절하기에 더 어려워져, 덜 자연스럽고 아마도 역겨운 시각 경험을 발생시킨다.
[0010] 따라서, VR/AR/MR 시스템의 내구성을 감소시키지 않고서, 사용자의 눈(들)의 입사 동공과 매칭하는 고도로 포화된(highly-saturated) 광 빔렛 어레이 출사 동공을 생성할 수 있는 VR/AR/MR 시스템의 디스플레이 스크린을 제공할 필요가 여전히 존재한다.
[0011] 뇌의 시각화 중심은 양쪽 눈들과 그의 컴포넌트들의 서로에 대한 모션으로부터 귀중한 지각 정보를 얻는다. 서로에 대한 두 눈들의 이접운동(vergence) 움직임들(예컨대, 오브젝트를 응시하기 위해 눈들의 시선들을 수렴하도록 서로를 향하는 또는 서로 멀어지는 동공들의 롤링(rolling) 움직임들)은 눈들의 렌즈들의 포커싱(또는 "원근조절")과 밀접하게 연관된다. 정상 조건들 하에서, 상이한 거리에 있는 오브젝트를 포커싱하기 위해, 눈들의 렌즈들의 포커스를 변경하거나, 눈들을 원근조절하는 것은, "원근조절-이접운동 반사작용(accommodation-vergence reflex)"으로 알려진 관계 하에서, 동일한 거리에 대한 이접운동의 매칭하는 변화를 자동으로 발생시킬 것이다. 마찬가지로, 이접운동의 변화는 정상 조건들하에서, 원근조절의 매칭 변화를 트리거할 것이다. 대부분의 종래의 입체 VR/AR/MR 구성들에서와 같이, 이러한 반사작용에 대항하는 것은 사용자들의 눈의 피로, 두통들 또는 다른 형태들의 불편함을 발생시키는 것으로 알려져 있다.
[0012] 입체 웨어러블 안경은 일반적으로, 3-차원 원근감이 인간의 시각 시스템에 의해 지각되도록 약간 상이한 엘리먼트 프리젠테이션으로 이미지들을 디스플레이하도록 구성된 왼쪽 눈 및 오른쪽 눈에 대한 2개의 디스플레이들을 특징으로 한다. 이러한 구성은, 이미지들을 3 차원으로 지각하기 위해 극복되어야 하는, 이접운동과 원근조절 사이의 미스매치("이접운동-원근조절 충돌")로 인해 많은 사용자들에게 불편한 것으로 알려져 있다. 실제로, 일부 VR/AR/MR 사용자들은 입체 구성들을 용인할 수 없다. 그에 따라서, 대부분의 종래의 VR/AR/MR 시스템들은, 부분적으로, 이전 시스템들이 이접운동-원근조절 충돌을 포함하여 인간 지각 시스템의 기본적인 양상들 중 일부를 다루는 데 실패하기 때문에, 사용자에게 편안하고 최대로 유용하게 될 방식으로 풍부한 양안, 3-차원 경험/시나리오를 제공하는 데 최적으로 적합하지는 않다.
[0013] 이러한 문제점들(이접운동-원근조절 충돌을 포함함)을 처리하기 위한 하나의 가능한 방법은 다수의 깊이 평면들에 이미지들을 투사하는 것이다. 이러한 타입의 시스템을 구현하기 위해, 하나의 접근법은, 광이 다수의 깊이 평면들로부터 발생하는 것처럼 보이도록 사용자의 눈들에 광을 지향시키기 위한 복수의 도광 광학 엘리먼트(light guiding optical element)들을 사용하는 것이다. 도광 광학 엘리먼트들은 디지털 또는 가상 오브젝트들에 대응하는 가상 광을 인-커플링하고 TIR(total internal reflection)에 의해 가상 광을 전파하고, 그런다음 가상 광을 아웃-커플링하여, 디지털 또는 가상 오브젝트들을 사용자의 눈들에 디스플레이하도록 설계된다. AR/MR 시스템들에서, 도광 광학 엘리먼트들은 또한 실제 실세계 오브젝트들로부터의 (예컨대, 반사되는) 광에 대해 투명하도록 설계된다. 따라서, 도광 광학 엘리먼트들의 부분들은, 실세계 오브젝트들로부터의 실세계 광에 투명하면서, TIR을 통한 전파를 위해 가상 광을 반사시키도록 설계된다.
[0014] 다양한 광학 시스템들은 MR/VR/AR 시나리오들을 디스플레이하기 위해 다양한 깊이들에서 이미지들을 생성한다. 이러한 광학 시스템들 중 일부는 미국 특허 출원 일련 번호 제14/555,585호에 설명되고, 상기 출원의 내용들은 이전에 참조에 의해 본원에 포함되었다. 일부 VR/AR/MR 시스템들은, 사용자의 머리에 적어도 느슨하게 커플링된 웨어러블 디스플레이 디바이스들(예컨대, 머리-착용 디스플레이들, 헬멧-장착 디스플레이들 또는 스마트 안경)을 사용하고, 따라서 사용자의 머리가 움직일 때 움직인다.
[0015] VR/AR/MR 시스템들에서의 광학 시스템들과 같은 일부 3-D(three-dimensional) 시스템들은 가상 오브젝트들을 광학적으로 렌더링한다. 오브젝트들이 3-D 공간의 개개의 포지션들에 위치된 실제 물리적 오브젝트들이 아니라는 점에서, 오브젝트들은 "가상"이다. 대신에, 가상 오브젝트들은, 청중들의 눈들에 지향된 광 빔들에 의해 자극될 때, 뷰어들 및/또는 청취자들의 뇌들(예컨대, 광학 중심들)에서만 존재한다.
[0016] VR/AR/MR 시스템들은 또한 사용자에 대한 다양한 지각된 포지션들 및 거리들에서 가상 디지털 콘텐츠를 디스플레이할 수 있어야 한다. VR/AR/MR 시스템들의 설계는, 가상 디지털 콘텐츠를 전달하는 시스템의 스피드, 가상 디지털 콘텐츠의 품질, 사용자의 눈동자 거리(이접운동-원근조절 충돌을 처리함), 시스템의 사이즈 및 휴대성, 및 다른 시스템 및 광학 난제들을 포함하여, 다수의 다른 난제들을 제공한다.
[0017] 추가로, VR/AR/MR 시스템들은, 그럴듯한 몰입적인 즐거운 VR/AR/MR 경험/시나리오에 요구되는 사실적인 사진 이미저리를 생성하기 위해 가상 디지털 콘텐츠를 선명한 포커스로 디스플레이할 수 있어야 한다. 눈의 렌즈는 이미지들 또는 그의 일부들을 더 나은 포커스로 유도하기 위해 형상을 변경(즉, 원근조절)해야 한다.
[0018] 머리-착용 디스플레이들의 사이즈 제약들은 또한 이미지 해상도 제한들을 발생시킨다. 미국 특허 출원 일련 번호 제14/555,585호 ― 상기 출원의 내용들은 이전에 인용에 의해 본원에 포함되었음 ― 에 설명된 머리-착용 VR/AR/MR 디스플레이 시스템들과 같은 머리-착용 VR/AR/MR 디스플레이 시스템들은, 광 빔 각도들을 보존하는 도광 광학 엘리먼트들을 통해 TIR에 의해 전달된 광 빔들로 이미지들을 사용자에게 디스플레이한다. 광 빔 직경들은 도광 광학 엘리먼트들을 통해 본질적으로 동일하게 유지된다. 머리-착용 디스플레이들의 사이즈 제한들은 다양한 광학 컴포넌트들(예컨대, 광원들, 도광 광학 엘리먼트들, 렌즈들 등)의 사이즈를 제한하고, 이는 머리-착용 디스플레이들에 의해 생성된 광 빔들의 직경들을 제한한다. 이들 광 빔 직경 제한들은 위에서 설명된 해상도 및 FOV 제한들이 발생시킨다.
[0019] 본원에서 설명된 시스템들 및 방법들은 이러한 난제들을 처리하도록 구성된다.
[0020] 본 개시내용의 제1 양상에 따라, 가상 이미징 생성 시스템은 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 평면 광 도파관(planar optical waveguide)(단일 유니터리(unitary) 기판일 수 있음), 및 이미지 투사 어셈블리로부터의 시준된 광 빔을 인-커플링된 빔으로서 평면 광 도파관 내로 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트를 포함한다. 이미지 투사 어셈블리는 시준된 광 빔을 스캐닝하도록 구성된 스캐닝 디바이스를 포함할 수 있다.
[0021] 가상 이미지 생성 시스템은 인-커플링된 광 빔을 제1 세트의 직교 광 빔렛들로 분할하기 위한, 평면 광 도파관의 제1 면과 연관된 제1 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트, 및 인-커플링된 광 빔을 제2 세트의 직교 광 빔렛들로 분할하기 위한, 평면 광 도파관의 제2 면과 연관된 제2 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 OPE 엘리먼트는 평면 광 도파관의 제1 면 상에 배치되고, 제2 OPE 엘리먼트는 평면 광 도파관의 제2 면 상에 배치된다. IC 엘리먼트는, 제1 OPE 엘리먼트 및 제2 OPE 엘리먼트를 교대로 교차하는 제1 광학 경로를 따라, TIR(total internal reflection)를 통해 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 인-커플링된 광 빔으로서 이미지 투사 어셈블리로부터의 시준된 광 빔을 광학적으로 커플링시키도록 구성될 수 있어서, 인-커플링된 광 빔의 일부들이 제2 평행 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 평면 광 도파관 내에서 전파되는 개개의 제1 세트의 직교 광 빔렛들 및 제2 세트의 직교 광 빔렛들로서 편향된다. 이러한 경우에, 제2 평행 광학 경로들은 제1 광학 경로와 직교한다.
[0022] 가상 이미지 생성 시스템은 제1 세트의 직교 광 빔렛들 및 제2 세트의 직교 광 빔렛들을, 평면 광 도파관을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 어레이(예컨대, 2-차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이)로 분할하기 위한, 평면 광 도파관과 연관된 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트를 더 포함한다. 시준된 광 빔은 입사 동공을 정의할 수 있고, 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이는 입사 동공보다 큰, 예컨대, 입사 동공보다 적어도 10배 더 크거나 심지어 입사 동공보다 적어도 100배 더 큰 출사 동공을 정의할 수 있다.
[0023] 일부 실시예들에서, EPE 엘리먼트는 평면 광 도파관의 제1 면 및 제2 면 중 하나 상에 배치된다. 제1 세트의 직교 광 빔렛들 및 제2 세트의 직교 광 빔렛들은 EPE 엘리먼트와 교차할 수 있어서, 제1 세트의 직교 광 빔렛들 및 제2 세트의 직교 광 빔렛들의 일부들은 평면 광 도파관으로부터 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이로서 편향된다. 일부 실시예들에서, EPE 엘리먼트는 평면 광 도파관을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이 상에 볼록한 파면 프로파일(convex wavefront profile)을 부여하도록 구성된다. 이러한 경우에, 볼록한 파면 프로파일은 정해진 초점 평면에서 이미지를 생성하도록 초점에 반경의 중심을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, IC 엘리먼트, OPE 엘리먼트 및 EPE 엘리먼트 각각은 회절성이다.
[0024] 본 개시내용의 제2 양상에 따라, 가상 이미지 생성 시스템은 제1 두께를 갖는 1차 기판(primary substrate) 및 제2 두께들을 갖는 적어도 2개의 2차 기판(secondary substrate)들을 포함하는 복수의 기판들 및 기판들 사이에 각각 배치된 적어도 2개의 반-반사성 인터페이스(semi-reflective interface)들을 포함하는 평면 광 도파관을 포함한다.
[0025] 일부 실시예들에서, 제2 두께들 각각은 제1 두께 미만이다. 예컨대, 제1 두께는 제2 두께들 각각의 적어도 2배일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 두께들은 서로 실질적으로 동일하다. 대안적 실시예에서, 2차 기판(들) 중 2개 이상은, 서로 동일하지 않은 제2 두께들을 갖는다. 이 경우, 동일하지 않은 제2 두께들 중 적어도 2개의 두께들은 서로 비-배수(non-multiple)들일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 두께는 제2 두께들 중 적어도 하나의 두께의 비-배수이고, 제2 두께들 각각의 두께의 비-배수일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 2차 기판들 중 적어도 2개는 서로 실질적으로 동일하지 않은 제2 두께들을 갖는다.
[0026] 또 다른 실시예에서, 반-반사성 인터페이스들 각각은, 예컨대, PVD(physical vapor deposition), IAD(ion-assisted deposition) 및 IBS(ion beam sputtering) 중 하나를 통해, 기판들 사이에 각각 배치될 수 있는 반-반사성 코팅을 포함한다. 코팅들 각각은, 예컨대, 금속(Au, Al, Ag, Ni-Cr, Cr 등), 유전체(산화물들, 불화물들 및 황화물들) 및 반도체들(Si, Ge) 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 기판들 중 인접한 기판들은 상이한 굴절률들을 갖는 재료들로 구성된다.
[0027] 가상 이미지 생성 시스템은 평면 광 도파관 내에서의 인-커플링된 광 빔으로서의 전파를 위해 이미지 투사 어셈블리로부터의 시준된 광 빔을 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트를 더 포함한다. 이미지 투사 어셈블리는 시준된 광 빔을 스캐닝하도록 구성된 스캐닝 디바이스를 포함할 수 있다. 반-반사성 인터페이스들은 인-커플링된 광 빔을 1차 기판 내에서 전파되는 복수의 1차 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다.
[0028] 가상 이미지 생성 시스템은 복수의 1차 광 빔렛을, 평면 광 도파관의 면(face)을 출사하는 아웃-커플 링 광 빔렛들의 어레이(예컨대, 2-차원 아웃-커플링된 빔렛 어레이)로 추가로 분할하기 위한, 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 DOE(diffractive optical element)들을 더 포함한다. 시준된 광 빔은 입사 동공을 정의할 수 있고, 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이는 입사 동공보다 큰, 예컨대, 입사 동공보다 적어도 10배 더 크거나 심지어 입사 동공보다 적어도 100배 더 큰 출사 동공을 정의할 수 있다. 일부 실시예들에서, 1차 기판의 제1 두께 및 2차 기판들의 제2 두께들은, 아웃-커플링된 광 빔렛들 중 적어도 2개의 인접한 광 빔렛들의 중심들 간의 간격들이 시준된 광 빔의 폭 이하이도록 선택된다. 다른 실시예에서, 제1 두께 및 제2 두께들은, 아웃-커플링된 광 빔렛들 중 인접한 광 빔렛들의 절반보다 큰 에지들 간에 어떠한 갭도 존재하지 않도록 선택된다.
[0029] 일부 실시예들에서, 적어도 2개의 반-반사성 인터페이스들은 인-커플링된 광 빔을 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 이러한 경우에, DOE(들)는 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들을 적어도 2개의 세트들의 직교 광 빔렛들로 각각 분할하도록 구성된 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트를 포함하고, 반-반사성 인터페이스들은 추가로, 적어도 2개 세트들의 직교 광 빔렛들을 적어도 4개 세트들의 직교 광 빔렛들로 분할하도록 구성되고, DOE(들)는 적어도 4개 세트들의 직교 광 빔렛들을 세트의 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트를 포함한다. OPE 엘리먼트 및 EPE 엘리먼트는 평면 광 도파관의 면 상에 배치될 수 있다.
[0030] 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들은 TIR(total internal reflection)를 통해 평면 광 도파관 내에서, OPE 엘리먼트를 교차하는 제1 광학 경로를 따라 전파될 수 있어서, 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들의 일부들이 제2 평행 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 평면 광 도파관 내에서 전파되는 적어도 2개 세트들의 직교 광 빔렛들로서 회절된다. 제2 평행 광학 경로들은 제1 광학 경로와 직교할 수 있다. 적어도 2개 세트들의 직교 광 빔렛들은 EPE 엘리먼트와 교차할 수 있어서, 적어도 2개 세트들의 직교 광 빔렛들의 일부들은 평면 광 도파관의 면으로부터 아웃-커플링된 광 빔렛들의 세트로서 회절된다. 일부 실시예들에서, EPE 엘리먼트는 평면 광 도파관을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이 상에 볼록 파면 프로파일을 부여하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 볼록한 파면 프로파일은 정해진 초점 평면에서 이미지를 생성하도록 초점에 반경의 중심을 가질 수 있다.
[0031] 본 개시내용의 제3 양상에 따르면, 가상 이미지 생성 시스템은, 제1 두께를 갖는 1차 기판 및 각각 적어도 하나의 제2 두께를 갖는 적어도 하나의 2차 기판을 포함하는 복수의 기판들, 및 기판들 사이에 각각 배치된 적어도 하나의 반-반사성 인터페이스를 포함하는 평면 광 도파관을 포함한다.
[0032] 제1 두께는 적어도 하나의 제2 두께 각각의 적어도 2배이다. 일부 실시예들에서, 제1 두께는 제2 두께(들) 각각의 비-배수이다. 다른 실시예에서, 2차 기판(들)은 복수의 2차 기판들을 포함한다. 이 경우에, 제2 두께들이 서로 동일하거나 2개 이상의 2차 기판(들)이 서로 동일하지 않은 제2 두께들을 가질 수 있다. 제1 두께는 제2 두께들 중 적어도 하나의 두께의 비-배수일 수 있다. 동일하지 않은 제2 두께들 중 적어도 2개의 두께들은 서로 비-배수들일 수 있다.
[0033] 일부 실시예들에서, 반-반사성 인터페이스(들) 각각은, 예컨대, 물리적 기상 증착(PVD), 이온-보조 증착(IAD), 및 이온 빔 스퍼터링(IBS) 중 하나를 통해 기판들 사이에 각각 배치될 수 있는, 반-반사성 코팅을 포함한다. 코팅들 각각은, 예컨대 금속(Au, Al, Ag, Ni-Cr, Cr 등), 유전체(산화물들, 불화물들 및 황화물들), 및 반도체들(Si, Ge) 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 기판들 중 인접한 기판들은 상이한 굴절률들을 갖는 재료들로 구성된다.
[0034] 가상 이미지 생성 시스템은, 평면 광 도파관 내에서 인-커플링된 광 빔으로서의 전파를 위해 이미지 투사 어셈블리로부터의 시준된 광 빔을 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트를 더 포함한다. 이미지 투사 어셈블리는 시준된 광 빔을 스캐닝하도록 구성된 스캐닝 디바이스를 포함할 수 있다. 반-반사성 인터페이스(들)은 인-커플링된 광 빔을 1차 기판 내에서 전파되는 복수의 1차 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다.
[0035] 가상 이미지 생성 시스템은 복수의 1차 광 빔렛들을, 평면 광 도파관의 면을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 어레이(예컨대, 2 차원 아웃-커플링된 빔렛 어레이)로 추가로 분할하기 위한, 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 DOE(diffractive optical element)들을 더 포함한다. 시준된 광 빔은 입사 동공을 정의할 수 있고, 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이는 입사 동공보다 큰, 예컨대 입사 동공보다 적어도 10배 더 크거나 입사 동공보다 적어도 심지어 적어도 100배 더 큰 출사 동공을 정의할 수 있다. 일부 실시예들에서, 1차 기판의 제1 두께 및 2차 기판(들)의 제2 두께(들)는, 아웃-커플링된 광 빔렛들 중 적어도 2개의 인접한 광 빔렛들의 중심들 간의 간격들이 시준된 광 빔의 폭 이하이도록 선택된다. 다른 실시예에서, 제1 두께 및 제2 두께(들)는, 아웃-커플링된 광 빔렛들 중 인접한 광 빔렛들의 절반보다 큰 에지들 간에 어떠한 갭도 존재하지 않도록 선택된다.
[0036] 일부 실시예들에서, 반-반사성 인터페이스(들)는 인-커플링된 광 빔을 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 이 경우에, DOE(들)는 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들을 적어도 2개의 세트들의 직교 광 빔렛들로 각각 분할하도록 구성된 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트를 포함하고, 반-반사성 인터페이스(들)는 적어도 2개의 세트들의 직교 광 빔렛들을 적어도 4개의 세트들의 직교 광 빔렛들로 분할하도록 추가로 구성되고, DOE(들)는 적어도 4개의 세트들의 직교 광 빔렛들을 세트의 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트를 포함한다. OPE 엘리먼트 및 EPE 엘리먼트는 평면 광 도파관의 면 상에 배치될 수 있다.
[0037] 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들은 TIR(total internal reflection)을 통해 평면 광 도파관 내에서, OPE 엘리먼트를 교차하는 제1 광학 경로를 따라 전파되어, 적어도 2개의 인-커플링된 광 빔렛들의 일부들이 제2 평행 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 평면 광 도파관내에서 전파되는 적어도 2개의 세트들의 직교 광 빔렛들로서 회절될 수 있다. 제2 평행 광학 경로들은 제1 평행 광학 경로와 직교할 수 있다. 적어도 2개의 세트들의 직교 광 빔렛들은 EPE 엘리먼트와 교차하여, 적어도 2개의 세트들의 직교 광 빔렛들의 일부들은 평면 광 도파관의 면으로부터 아웃-커플링된 광 빔렛들의 세트로서 회절될 수 있다. 일부 실시예들에서, EPE 엘리먼트는 평면 광 도파관을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이 상에 볼록한 파면 프로파일을 부여하도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 볼록한 파면 프로파일은 정해진 초점 평면에서 이미지를 생성하도록 초점에 반경의 중심을 가질 수 있다.
[0038] 본 개시내용의 제4 양상에 따르면, 가상 이미지 생성 시스템은, 이미징 엘리먼트로부터 시준된 광 빔을 수신하고, 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 PPE(pre-pupil expansion) 엘리먼트를 포함한다. 가상 이미지 생성 시스템은, 평면 광 도파관, 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들을, 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서, 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트, 및 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 평면 광 도파관의 면을 출사하는 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들을 더 포함한다. 회절 엘리먼트(들)은 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 한 세트의 직교 광 빔렛들로 추가로 분할하기 위한, 평면 광 도파관과 연관된 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트, 및 세트의 직교 광 빔렛들을 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한, 평면 광 도파관과 연관된 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트를 포함할 수 있다.
[0039] 일부 실시예들에서, 시준된 광 빔은 입사 동공을 정의하고, 세트의 초기 아웃-커플링 된 광 빔렛들은 입사 동공보다 큰 사전-확장 동공을 정의하고, 그리고 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들은 사전-확장 동공보다 큰 출사 동공을 정의한다. 하나의 예에서, 사전-확장 동공은 입사 동공보다 적어도 10배 더 크고, 출사 동공은 사전-확장 동공보다 적어도 10배 더 크다. 일부 실시예들에서, 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들은 2 차원 광 빔렛 어레이로서 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링되고, 그리고 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들은 2 차원 광 빔렛 어레이로서 평면 광 도파관의 면을 출사한다. 다른 실시예에서, 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들은 1 차원 광 빔렛 어레이로서 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링되고, 그리고 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들은 2 차원 광 빔렛 어레이로서 평면 광 도파관의 면을 출사한다.
[0040] 일부 실시예들에서, PPE 엘리먼트는, 미니-평면 광 도파관, 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 직교 광 빔렛들로 분할하기 위한, 미니-평면 광 도파관과 연관된 미니-OPE 엘리먼트, 및 세트의 초기 직교 광 빔렛들을 미니-평면 광 도파관의 면을 출사하는 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한, 미니-평면 광 도파관과 연관된 미니-EPE 엘리먼트를 포함한다. PPE는 시준된 광 빔을 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 미니-IC 엘리먼트를 더 포함할 수 있다.
[0041] 다른 실시예에서, PPE 엘리먼트는 시준된 광 빔을 초기 세트의 발산 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 회절 빔 분할기(예컨대, 1 × N 빔 분할기 또는 M × N 빔 분할기), 및 초기 세트의 발산 광 빔렛들을 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 재-시준하도록 구성된 렌즈(예컨대, 회절 렌즈)를 포함한다.
[0042] 또 다른 실시예에서, PPE 엘리먼트는 시준된 광 빔을 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 프리즘(예컨대, 솔리드 프리즘(solid prism) 또는 캐비티 프리즘(cavity prism))을 포함한다. 프리즘은 시준된 광 빔을 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 반-반사성 프리즘 평면을 포함할 수 있다. 프리즘은 시준된 광 빔을 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 복수의 병렬 프리즘 평면들을 포함할 수 있다. 이 경우에, 병렬 프리즘 평면들은 반-반사성 프리즘 평면을 포함할 수 있다. 복수의 병렬 프리즘 평면들은 완전 반사성 프리즘 평면을 포함할 수 있고, 이 경우에, 시준된 광 빔의 일부는 제1 방향으로 적어도 하나의 반-반사성 프리즘에 의해 반사될 수 있고, 시준된 광 빔의 일부는 제1 방향으로의 반사를 위해 완전 반사성 프리즘 평면으로 투과될 수 있다. 프리즘은, 시준된 광 빔을, 제1 방향으로 반사되는 한 세트의 초기 직교 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 제1 세트의 병렬 프리즘 평면, 및 초기 직교 광 빔렛들을, 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 반사되는 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 제2 세트의 병렬 프리즘 평면을 포함할 수 있다. 제1 방향 및 제2 방향은 서로 직교할 수 있다.
[0043] 또 다른 실시예에서, PPE 엘리먼트는 시준된 광 빔을 제1 평면 광 도파관 어셈블리의 면을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 2 차원 어레이(예컨대, N × N 광 빔렛 어레이)로 분할하도록 구성된 제1 평면 광 도파관 어셈블리, 및 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이를 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서 제2 평면 광 도파관 어셈블리의 면을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 다수의 2 차원 어레이들로 분할하도록 구성된 제2 평면 광 도파관 어셈블리를 포함한다. 제1 평면 광 도파관 어셈블리 및 제2 평면 광 도파관 어셈블리는 각각 동일하지 않은 두께들을 가질 수 있다.
[0044] 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이는 빔렛간 간격(inter-beamlet spacing)을 가지고, 다수의 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이들은, 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이의 빔렛간 간격과 상이한 어레이간 간격(inter-array spacing)에 의해 서로 공간적으로 오프셋된다. 일부 실시예들에서, 다수의 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이들의 어레이간 간격 및 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이의 빔렛간 간격은 서로 비-배수들이다. 다수의 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이들의 어레이간 간격은 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이의 빔렛간 간격보다 클 수 있다.
[0045] 일부 실시예들에서, 제1 평면 광 도파관 어셈블리는, 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제1 평면 광 도파관, 제1 광학 경로를 따라 TIR(total internal reflection)을 통한 제1 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 시준된 광 빔을 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제1 IC(in-coupling) 엘리먼트, 시준된 광 빔을 제1 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 1 차원 광 빔렛 어레이로 분할하기 위한, 제1 평면 광 도파관과 연관된 제1 EPE(exit pupil expander) 엘리먼트, 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제2 평면 광 도파관, 제1 광학 경로에 수직인 개개의 제2 광학 경로들에 따른, TIR을 통한 제2 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 1 차원 광 빔렛 어레이를 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제2 IC 엘리먼트, 및 1 차원 광 빔렛 어레이를 제2 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 2 차원 광 빔렛 어레이로 분할하기 위한, 제2 평면 광 도파관과 연관된 제2 EPE(exit pupil expander) 엘리먼트를 포함한다. 이 경우에, 제2 평면 광 도파관의 제1 면은 제1 평면 광 도파관의 제2 면에 부착될 수 있다. 제1 평면 광 도파관 및 제2 평면 광 도파관은 각각 실질적으로 동일한 두께들을 가질 수 있다.
[0046] 제2 평면 광 도파관 어셈블리는, 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 평면 광 도파관, 개개의 제3 광학 경로들에 따른, TIR을 통한 제3 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 제1 2 차원 광 빔렛 어레이를 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제3 IC 엘리먼트, 2 차원 광 빔렛 어레이를 제3 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 복수의 2 차원 광 빔렛 어레이들로 분할하기 위한, 제3 평면 광 도파관과 연관된 제3 EPE 엘리먼트, 대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제4 평면 광 도파관, 제3 광학 경로들에 수직인 개개의 제4 광학 경로들에 따른, TIR을 통한 제4 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 복수의 2 차원 광 빔렛 어레이들을 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제4 IC 엘리먼트, 및 복수의 2 차원 광 빔렛 어레이들을 입력 세트의 광 빔렛들로서 제4 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 다수의 2 차원 광 빔렛 어레이들로 분할하기 위한, 제4 평면 광 도파관과 연관된 제4 EPE 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이 경우에, 제4 평면 광 도파관의 제1 면은 제3 평면 광 도파관의 제2 면에 부착될 수 있고, 제3 평면 광 도파관의 제1 면은 제2 평면 광 도파관의 제2 면에 부착될 수 있다. 제1 평면 광 도파관 및 제2 평면 광 도파관은 각각 실질적으로 동일한 두께들을 가질 수 있고, 제3 평면 광 도파관 및 제4 평면 광 도파관은 각각 실질적으로 동일한 두께들을 가질 수 있다. 이 경우에, 제1 평면 광 도파관 및 제2 평면 광 도파관의 실질적으로 동일한 두께들은 제3 평면 광 도파관 및 제4 평면 광 도파관의 실질적으로 동일한 두께들과 상이할 수 있다. 제3 평면 광 도파관 및 제4 평면 광 도파관의 동일한 두께들은 제1 평면 광 도파관 및 제2 평면 광 도파관의 동일한 두께들보다 클 수 있다.
[0047] 일부 실시예들에서, 혼합 현실 시스템은, 가상 광 빔을 생성하도록 구성된 광원을 포함한다. 시스템은 또한 진입부(entry portion), 출사부(exit portion), 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트를 갖는 도광 광학 엘리먼트(light guiding optical element)를 포함한다. 제1 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 두께를 갖고, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 두께와 상이한 제2 두께를 갖는다.
[0048] 하나 이상의 실시예들에서, 광원 및 도광 광학 엘리먼트는, 가상 광 빔이, 진입부를 통해 도광 광학 엘리먼트에 들어가고, 실질적 내부 전반사에 의해 도광 광학 엘리먼트를 통해 전파되고, 그리고 복수의 가상 광 빔렛들로 분할되도록 구성된다. 복수의 가상 광 빔렛들 중 적어도 일부는 출사부를 통해 도광 광학 엘리먼트를 출사할 수 있다. 도광 광학 엘리먼트는 실세계 광 빔(real-world light beam)에 대해 투명할 수 있다.
[0049] 하나 이상의 실시예들에서, 제1 두께와 제2 두께의 제1 몫(quotient) 및 제2 두께와 제1 두께의 제2 몫은 정수들이 아니다. 진입부는 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 상에 인-커플링 격자를 포함할 수 있다. 출사부는 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 상에 출사 동공 확장자(exit pupil expander)를 포함할 수 있다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 상에 출사 동공 확장자를 오버레이(overlay)하지 않을 수 있다.
[0050] 하나 이상의 실시예들에서, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트의 제2 두께는 미리결정된 파장을 갖는 광의 실질적 내부 전반사를 가능하게 한다. 미리결정된 파장은 515 nm 내지 540 nm일 수 있다. 미리결정된 파장은 520 nm 또는 532 nm일 수 있다. 미리결정된 파장은 475 nm 또는 650 nm일 수 있다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트의 제2 두께는, 시스템의 광학 축에 비스듬한 광 빔들보다 더 큰 정도로, 광학 축에 실질적으로 평행한 광 빔들의 실질적 내부 전반사를 가능하게 할 수 있다.
[0051] 하나 이상의 실시예들에서, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 실질적으로 제1 도광 광학 서브-엘리먼트의 모두를 오버레이한다. 제2 두께는 가상 광 빔의 파장의 범자연수 배수(whole number multiple)와 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 두께는 475nm, 520nm 또는 650nm의 범자연수 배수일 수 있다.
[0052] 하나 이상의 실시예들에서, 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트 각각은 개개의 실질적으로 평탄한 시트들을 포함하여, 도광 광학 엘리먼트는 실질적으로 평탄한 시트들의 스택을 포함한다. 도광 광학 엘리먼트는 또한, 제1 도광 광학 서브-엘리먼트와 제2 도광 광학 서브-엘리먼트 간에 굴절률 갭(refractive index gap)을 가질 수 있다. 굴절률 갭은 공기 층일 수 있다.
[0053] 하나 이상의 실시예들에서, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 실질적으로 동일한 방향으로 광을 반사하는 2개의 반사성 표면들을 포함한다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 실질적으로 반대 방향으로 광을 반사하는 2개의 반사성 표면들을 포함할 수 있다. 시스템은 또한 제3 도광 광학 서브-엘리먼트를 포함할 수 있다.
[0054] 다른 실시예에서, 혼합 현실 시스템은 가상 광 빔을 생성하도록 구성된 광원을 포함한다. 시스템은 또한 진입부, 출사부, 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트를 갖는 도광 광학 엘리먼트를 포함한다. 제1 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 회절률(diffractive index)을 갖는다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 회절률과 상이한 제2 회절률을 갖는다.
[0055] 하나 이상의 실시예들에서, 광원 및 도광 광학 엘리먼트는, 가상 광 빔이, 진입부를 통해 도광 광학 엘리먼트에 들어가고, 실질적 내부 전반사에 의해 도광 광학 엘리먼트를 통해 전파되고, 그리고 복수의 가상 광 빔렛들로 분할되도록 구성된다. 복수의 가상 광 빔렛들 중 적어도 일부는 출사부를 통해 도광 광학 엘리먼트를 출사한다. 도광 광학 엘리먼트는 실세계 광 빔에 대해 투명할 수 있다.
[0056] 하나 이상의 실시예들에서, 제1 회절률과 제2 회절률의 제1 몫 및 제2 굴절률과 제1 굴절률의 제2 몫은 정수들이 아니다. 진입부는 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 상에 인-커플링 격자를 포함할 수 있다. 출사부는 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 상에 출사 동공 확장자를 포함할 수 있다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 상에 출사 동공 확장자를 오버레이하지 않을 수 있다.
[0057] 하나 이상의 실시예들에서, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트의 제2 회절률은 미리결정된 파장을 갖는 광의 실질적 내부 전반사를 가능하게 한다. 미리결정된 파장은 515 nm 내지 540 nm일 수 있다. 미리결정된 파장은 520 nm 또는 532 nm일 수 있다. 미리결정된 파장은 475 nm 또는 650 nm일 수 있다.
[0058] 하나 이상의 실시예들에서, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트의 제2 회절률은, 시스템의 광학 축에 비스듬한 광 빔들보다 더 큰 정도로, 광학 축에 실질적으로 평행한 광 빔들의 실질적 내부 전반사를 가능하게 한다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 실질적으로 제1 도광 광학 서브-엘리먼트의 모두를 오버레이할 수 있다.
[0059] 하나 이상의 실시예들에서, 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트 각각은 개개의 실질적으로 평탄한 시트들을 포함하여, 도광 광학 엘리먼트는 실질적으로 평탄한 시트들의 스택을 포함한다. 도광 광학 엘리먼트는 또한, 제1 도광 광학 서브-엘리먼트와 제2 도광 광학 서브-엘리먼트 사이에 굴절률 갭을 가질 수 있다. 굴절률 갭은 공기 층일 수 있다.
[0060] 하나 이상의 실시예들에서, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 실질적으로 동일한 방향으로 광을 반사하는 2개의 반사성 표면들을 포함한다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 실질적으로 반대 방향으로 광을 반사하는 2개의 반사성 표면들을 포함할 수 있다. 시스템은 또한 제3 도광 광학 서브-엘리먼트를 포함할 수 있다.
[0061] 또 다른 실시예에서, 혼합 현실 시스템은 가상 광 빔을 생성하도록 구성된 광원을 포함한다. 시스템은 또한 진입부, 직교 동공 확장자(orthogonal pupil expander) 및 복수의 출사 동공 확장자(exit pupil expander)들을 갖는 도광 광학 엘리먼트를 포함한다. 광원 및 도광 광학 엘리먼트는, 가상 광 빔이, 진입부를 통해 도광 광학 엘리먼트에 들어가고, 실질적 내부 전반사에 의해 도광 광학 엘리먼트를 통해 전파되고, 직교 동공 확장자와 상호작용함으로써 복수의 제1 가상 광 빔렛들로 분할되고 ―복수의 제1 가상 광 빔렛들은 복수의 출사 동공 확장자들 개개의 출사 동공 확장자들에 진입함―, 복수의 출사 동공 확장자들과 상호작용함으로써 복수의 제2 가상 광 빔렛들로 분할되도록 구성된다. 복수의 제2 가상 빔렛들 중 적어도 일부는 출사 동공 확장자를 통해 도광 광학 엘리먼트를 출사한다.
[0062] 하나 이상의 실시예들에서, 도광 광학 엘리먼트는 실세계 광 빔에 대해 투명하다. 복수의 출사 동공 확장자들 각각은 실질적으로 평탄한 시트를 포함할 수 있어서, 복수의 출사 동공 확장자들은 실질적으로 평탄한 시트의 스택을 포함한다.
[0063] 하나 이상의 실시예들에서, 직교 동공 확장자는 미리결정된 파장을 갖는 광의 실질적 내부 전반사를 가능하게 한다. 미리결정된 파장은 515 nm 내지 540 nm 일 수 있다. 미리결정된 파장은 520 nm 내지 532 nm 일 수 있다. 미리결정된 파장은 475 nm 내지 650 nm 일 수 있다.
[0064] 하나 이상의 실시예들에서, 시스템은 또한 복수의 출사 동공 확장자들에 대해 광을 선택적으로 차단하기 위한 복수의 광 차단기들을 포함한다. 복수의 광 차단기들은 LC 셔터들 또는 PDLC 아웃-커플링 격자들을 포함할 수 있다. 복수의 광 차단기들 중 적어도 하나는 직교 동공 확장자의 에지에 인접하게 배치될 수 있다. 복수의 광 차단기들 중 적어도 하나는 직교 동공 확장자의 중앙 부분에 인접하게 배치될 수 있다.
[0065] 또 다른 실시예들에서, 혼합 현실 시스템은 가상 광빔을 생성하도록 구성된 광원을 포함한다. 시스템은 또한 진입부, 직교 동공 확장자 및 출사부를 갖는 도광 광학 엘리먼트를 포함한다. 광원 및 도광 광학 엘리먼트는, 가상 광 빔이 진입부를 통해 도광 광학 엘리먼트에 들어가고, 실질적으로 내부 전반사에 의해 도광 광학 엘리먼트를 통해 전파되고, 직교 동공 확장자와 상호 작용하여 복수의 가상 광 빔렛들로 분할되도록 구성된다. 복수의 가상 광 빔렛들 중 적어도 일부는 출사부를 통해 도광 광학 엘리먼트를 출사한다.
[0066] 하나 이상의 실시예들에서, 직교 동공 확장자는 제1 직교 동공 서브-확장자 및 제2 직교 동공 서브-확장자를 포함한다. 제1 및 제2 직교 동공 서브-확장자들 각각은 개개의 제1 및 제2 직교 동공 서브-확장자들에 들어가는 광 빔을 분할한다. 제1 및 제2 직교 동공 서브-확장자들 각각은 개개의 평평한 시트일 수 있다. 제1 및 제2 직교 동공 서브-확장자들은 겹겹이(on top of each other) 스택될 수 있다.
[0067] 하나 이상의 실시예들에서, 제1 직교 동공 서브-확장자는 빔렛들을 제2 직교 동공 서브-확장자로 지향시키기 위한 제1 출사 에지를 포함한다. 제1 출사 에지는 미러를 포함할 수 있다. 제1 직교 동공 서브-확장자는 빔렛들을 제2 직교 동공 서브-확장자로 지향시키기 위한 제2 출사 에지를 포함한다. 제1 및 제2 출사 에지들 각각은 개개의 미러를 포함할 수 있다.
[0068] 하나 이상의 실시예들에서, 직교 동공 확장자는 제1 및 제2 반사성 에지들을 포함한다. 제1 및 제2 반사성 에지들은 서로 직교할 수 있다. 직교 동공 확장자는 또한 제 3 반사성 에지를 포함할 수 있다.
[0069] 하나 이상의 실시예들에서, 직교 동공 확장자는 인-커플링 격자 및 인-커플링 격자의 맞은편에 배치된 고 회절의 영역을 포함한다. 직교 동공 확장자는 제1 파장 범위의 광을 흡수하도록 구성된 제1 광 수정자(light modifier)를 포함할 수 있다. 직교 동공 확장자는 또한 제2 파장 범위의 광을 흡수하도록 구성된 제2 광 수정자를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광 수정자들은 서로 직교할 수 있다.
[0070] 하나 이상의 실시예들에서, 직교 동공 확장자는 또한 제 3 파장 범위의 광을 흡수하도록 구성된 제3 광 수정자를 포함한다. 직교 동공 확장자는 "V"형상을 형성하는 회절 광학 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 직교 동공 확장자는 복수의 PDLC 스와치(swatche)들을 포함할 수 있다.
[0071] 또 다른 실시예에서, 혼합 현실 시스템은 가상 광빔을 생성하도록 구성된 광원을 포함한다. 시스템은 또한 진입부, 출사부, 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트를 갖는 도광 광학 엘리먼트를 포함한다. 제1 도광 광학 서브 엘리먼트는 제1 광 수정 특징(light modifying characteristic)을 갖는다. 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 광 수정 특징과 상이한 제2 광 수정 특징을 갖는다.
[0072] 가상 이미지 생성 시스템은 제1 두께를 갖는 1차 기판 및 제2 두께를 갖는 적어도 2개의 2차 기판들을 포함하는 복수의 기판들, 및 기판들 사이에 각각 배치된 적어도 2개의 반-반사성 인터페이스들을 포함하는 평면 광 도파관을 포함한다. 제1 두께는 각각의 제2 두께의 적어도 2배일 수 있다. 시스템은 평면 광 도파관 내에서의 인-커플링된 광 빔으로서의 전파를 위해 시준된 광 빔을 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트를 더 포함한다. 반-반사성 인터페이스들은 인-커플링된 광 빔을 1차 기판 내에서 전파되는 복수의 1차 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 시스템은, 복수의 1차 광 빔렛들을 평면 광 도파관의 면을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 어레이로 추가로 분할하기 위해 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 DOE(diffractive optical element)들을 더 포함한다.
[0073] 가상 이미지 생성 시스템은, 이미징 엘리먼트로부터 시준된 광 빔을 수신하고 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 PPE(pre-pupil expansion) 엘리먼트, 평면 광 도파관, 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들을 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서, 평면 광 도파관으로 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC 엘리먼트, 및 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 평면 광 도파관의 면을 출사하는 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들을 포함한다.
[0074] 혼합 현실 시스템은 가상 광빔을 생성하도록 구성된 광원을 포함한다. 시스템은 또한 진입부, 출사부, 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트를 갖는 도광 광학 엘리먼트를 포함한다. 제1 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 두께를 갖고, 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 두께와 상이한 제2 두께를 갖는다.
본 개시내용의 다른 양상에 따르면, 혼합 현실 시스템은 광 빔을 생성하도록 구성된 광원; 및 진입부(entry portion), 출사부(exit portion), 제1 도광 광학 서브-엘리먼트 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트를 갖는 도광 광학 엘리먼트(light guiding optical element)를 포함하고, 상기 광 빔의 부분은 상기 제2 도광 광학 서브-엘리먼트에 도달하기 위해 상기 제1 도광 광학 서브-엘리먼트를 통해 전파되고, 상기 제1 도광 광학 서브-엘리먼트는 제1 두께를 갖고 그리고 상기 제1 두께에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 광 빔을 제1 수의 광 빔렛들로 증배하고, 상기 제1 도광 광학 서브-엘리먼트는 회절 광학 엘리먼트들이 위에 배치되는 다수의 표면들을 포함하고, 상기 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 제2 두께를 갖고 그리고 상기 제2 두께에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제1 수의 광 빔렛들을 제2 수의 광 빔렛들로 증배하고, 상기 제2 수는 상기 제1 수보다 크고, 상기 제2 도광 광학 서브-엘리먼트는 상기 회절 광학 엘리먼트들이 위에 배치되는 단 하나의 표면을 포함하고, 상기 제2 도광 광학 서브-엘리먼트의 제2 두께는 상기 제1 도광 광학 서브-엘리먼트의 제1 두께와 상이하고, 그리고 상기 제1 두께 및 상기 제2 두께는 상기 광원으로부터의 상기 광 빔을 다수의 빔렛들로 증배하기 위한 배수 팩터에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다.
[0075] 개시 내용의 추가 및 다른 목적들, 특징 및 장점들은 상세한 설명, 도면들 및 청구항에 설명되어 있다.
[0076] 도면들은 본 개시내용의 선호된 실시예들의 설계 및 유용성을 도시하며, 유사한 엘리먼트들은 공통 참조 번호들로 지칭된다. 본 개시내용의 위에서 언급된 그리고 다른 장점들 및 목적들이 어떻게 획득되는지를 더 잘 이해하기 위해, 위에서 간략히 설명된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 첨부된 도면들에 예시된 특정 실시예들을 참조하여 제공될 것이다. 이들 도면들은 개시내용의 전형적인 실시예들만을 묘사하고 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해하고, 개시내용은 첨부 도면들을 사용하여 추가적인 특성 및 세부사항으로 기술되고 설명될 것이다:
[0077] 도 1은 종래 기술의 증강 현실 생성 디바이스에 의해 최종 사용자에게 디스플레이될 수 있는 3-차원 증강 현실 장면의 묘사이다.
[0078] 도 2는 본 개시내용의 일부 실시예들에 따라 구성된 가상 이미지 생성 시스템의 블록 다이어그램이다.
[0079] 도 3a는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 하나의 기법의 평면도이다.
[0080] 도 3b는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 다른 기법의 평면도이다.
[0081] 도 3c는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 또 다른 하나의 기법의 평면도이다.
[0082] 도 3d는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 또 다른 하나의 기법의 평면도이다.
[0083] 도 4, 7, 및 8은 다양한 혼합 현실 시스템들의 상세한 개략도들이다.
[0084] 도 5는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템에서 사용되는 디스플레이 서브시스템의 일부 실시예들의 평면도이다.
[0085] 도 6은 도 5의 디스플레이 서브시스템에서 사용되는 1차 도파관 장치의 일부 실시예들의 개념도이다.
[0086] 도 9는 혼합 현실 시스템의 초점 평면들을 묘사하는 다이어그램이다.
[0087] 도 10은 혼합 현실 시스템의 도광 광학 엘리먼트의 상세 개략도이다.
[0088] 도 11a, 12a, 13a, 14a 및 15a는 다양한 실시예들에 따라 눈에 들어가는 광 빔들의 개략도들이다.
[0089] 도 11b, 12b, 13b, 14b 및 15b는 다양한 실시예들에 따라 렌즈들에 의해 망막 상에 포커싱된, 대응하는 도 11a, 12a, 13a, 14a 및 15a에서의 광 빔들의 에너지 분포 패턴들이다.
[0090] 도 16a는 일부 실시예들에 따라 눈으로 들어오는 광 빔렛들의 개략도이다.
[0091] 도 16b는 일부 실시예들에 따라 렌즈들에 의해 망막 상에 포커싱된 도 16a의 광 빔렛들의 에너지 분포 패턴이다.
[0092] 도 17a는 일부 실시예들에 따라 빔릿들의 어레이를 생성하는 도광 광학 엘리먼트의 개략도이다.
[0093] 도 17b는 일부 실시예들에 따라 홍채에 의해 형성된 동공과 관련한 광 빔렛들의 개략도이다.
[0094] 도 18a 내지 18c는 다양한 실시예들에 따라 망막들 상의 광 빔렛들을 도시하는 개략도들이다.
[0095] 도 19는 일부 실시예들에 따라 빔 증배기(beam multiplier)를 통해 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도이다.
[0096] 도 20은 일부 실시예들에 따라 빔 증배기를 통해 눈으로 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도이다.
[0097] 도 21은 일부 실시예들에 따라 2개의 빔 증배기를 통해 눈으로 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도이다.
[0098] 도 22A-33I는 다양한 실시예들에 따라 빔 증배기들을 통해 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도들이다.
[0099] 도 34는 도 6의 1차 도파관 장치의 일부 실시예들들의 평면도이다.
[0100] 도 35는 35-35 라인을 따라 취한 도 34의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0101] 도 36은 36-36 라인을 따라 취한 도 34의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0102] 도 37은 도 6의 1차 도파관 장치의 다른 실시예의 평면도이다.
[0103] 도 38은 도 6의 1차 도파관 장치의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0104] 도 39a-39c는 도 34의 1차 도파관 장치의 사시도들로서, 특히 상이한 초점 평면들에서의 아웃-커플링된 광 빔렛들의 방출을 도시한다.
[0105] 도 40a는 디스플레이 스크린의 도파관 장치의 비교적 희소한 출사 동공(sparse exit pupil)의 개념도이다.
[0106] 도 40b는 도 34의 1차 도파관 장치의 수정된 실시예의 비교적 조밀한 출사 동공(dense exit pupil)의 개념도이다.
[0107] 도 41은 도 40b의 수정된 1차 도파관 장치의 일부 실시예들의 평면도이다.
[0108] 도 42는 42-42 라인을 따라 취한 도 41의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0109] 도 43은 43-43 라인을 따라 취한 도 41의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0110] 도 44는 도 40b의 수정된 1차 도파관 장치의 다른 실시예의 평면도이다.
[0111] 도 45는 45-45 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도이다.
[0112] 도 46은 46-46 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도이다.
[0113] 도 47a-47d는 도 45의 수정된 1차 도파관 장치에 이용되는 빔 분할 기법을 예시하는 프로파일도들이다.
[0114] 도 48은 48-48 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0115] 도 49는 49-49 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0116] 도 50은 50-50 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도이다.
[0117] 도 51은 51-51 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도이다.
[0118] 도 52는 52-52 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0119] 도 53은 53-53 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0120] 도 54는 54-54 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제3 변동의 단면도이다.
[0121] 도 55는 55-55 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제3 변동의 단면도이다.
[0122] 도 56은 56-56 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제4 변동의 단면도이다.
[0123] 도 57은 57-57 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제4 변동의 단면도이다.
[0124] 도 58은 도 2의 가상 이미지 생성 시스템에서 사용되는 디스플레이 서브시스템의 다른 실시예의 평면도이다.
[0125] 도 59a 및 59b는 PPE(pre-pupil expander)로 사전-확장된 디스플레이 스크린의 1차 도파관 장치의 비교적 조밀한 출사 동공의 개념도들이다.
[0126] 도 60은 도 6의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59b의 PPE의 일부 실시예들의 평면도이다.
[0127] 도 61은 61-61 라인을 따라 취한 도 60의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0128] 도 62는 62-62 라인을 따라 취한 도 60의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0129] 도 63은 도 60의 PPE를 사용한, 시준된 광 빔의 입사 동공의 출사 동공으로의 사전-확장 및 종래의 확장의 개념도이다.
[0130] 도 64는 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59b의 PPE의 다른 실시예의 평면도이다.
[0131] 도 65는 65-65 라인을 따라 취한 도 64의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0132] 도 66은 66-66 라인을 따라 취한 도 64의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0133] 도 67a 및 67b는 도 64의 PPE의 상이한 변동들의 프로파일도들이다.
[0134] 도 68은 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59b의 PPE의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0135] 도 69는 69-69 라인을 따라 취한 도 68의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0136] 도 70은 70-70 라인을 따라 취한 도 68의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0137] 도 71은 도 68의 PPE의 사시도이다.
[0138] 도 72는 72-72 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제1 변동의 단면도이다.
[0139] 도 73은 73-73 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제1 변동의 단면도이다.
[0140] 도 74는 74-74 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제2 변동의 단면도이다.
[0141] 도 75는 75-75 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제2 변동의 단면도이다.
[0142] 도 76은 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 31a 및 31b의 PPE의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0143] 도 77은 77-77 라인을 따라 취한 도 76의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0144] 도 78은 78-78 라인을 따라 취한 도 76의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0145] 도 79는 도 76의 PPE의 사시도이다.
[0146] 도 80은 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59a의 PPE의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0147] 도 81은 81-81 라인을 따라 취한 도 80의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0148] 도 82는 82-82 라인을 따라 취한 도 80의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0149] 도 83은 도 80의 PPE의 분해 사시도이다.
[0150] 도 84는 도 83의 PPE에 사용된 평면형 도파관 어셈블리의 일부 실시예들의 사시도이다.
[0151] 도 85a 및 85b는 도 84의 평면형 도파관 어셈블리에 사용되는 최상부 및 최하부 평면형 직교 도파관 유닛들의 사시도이다.
[0152] 도 86a 및 도 86b는 도 80의 PPE의 단면도들이다.
[0153] 도 87a-87c는 도 85a 및 85b의 최상부 및 최하부 평면형 직교 도파관 유닛들의 전달 함수들의 평면도들이다.
[0154] 도 88은 2 차원 어레이의 빔렛들을 고도로 포화된 출사 동공을 정의하도록 누적된 다수의 2 차원 빔렛으로 분할하기 위해 도 80의 PPE에 사용되는 최상부 평면형 도파관 어셈블리에 의해 수행된 다양한 세대의 빔 분할을 예시하는 하나의 다이어그램이다.
[0155] 도 89a-89h는 도 80의 PPE를 사용하여 단일 2 차원 어레이의 광 빔렛들로부터 다수의 2 차원 어레이들의 광 빔렛들을 생성하는 것을 예시하는 평면도들이다.
[0156] 도 90a-90d는 도 89a의 빔 패턴에서 4개의 상이한 빔렛 군(family)들과 도 89a의 단일 2 차원 어레이의 광 빔 렛들의 4개의 상이한 초기 빔렛들과의 대응을 예시하는 평면도들이다.
[0077] 도 1은 종래 기술의 증강 현실 생성 디바이스에 의해 최종 사용자에게 디스플레이될 수 있는 3-차원 증강 현실 장면의 묘사이다.
[0078] 도 2는 본 개시내용의 일부 실시예들에 따라 구성된 가상 이미지 생성 시스템의 블록 다이어그램이다.
[0079] 도 3a는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 하나의 기법의 평면도이다.
[0080] 도 3b는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 다른 기법의 평면도이다.
[0081] 도 3c는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 또 다른 하나의 기법의 평면도이다.
[0082] 도 3d는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템을 착용하는 데 사용될 수 있는 또 다른 하나의 기법의 평면도이다.
[0083] 도 4, 7, 및 8은 다양한 혼합 현실 시스템들의 상세한 개략도들이다.
[0084] 도 5는 도 2의 가상 이미지 생성 시스템에서 사용되는 디스플레이 서브시스템의 일부 실시예들의 평면도이다.
[0085] 도 6은 도 5의 디스플레이 서브시스템에서 사용되는 1차 도파관 장치의 일부 실시예들의 개념도이다.
[0086] 도 9는 혼합 현실 시스템의 초점 평면들을 묘사하는 다이어그램이다.
[0087] 도 10은 혼합 현실 시스템의 도광 광학 엘리먼트의 상세 개략도이다.
[0088] 도 11a, 12a, 13a, 14a 및 15a는 다양한 실시예들에 따라 눈에 들어가는 광 빔들의 개략도들이다.
[0089] 도 11b, 12b, 13b, 14b 및 15b는 다양한 실시예들에 따라 렌즈들에 의해 망막 상에 포커싱된, 대응하는 도 11a, 12a, 13a, 14a 및 15a에서의 광 빔들의 에너지 분포 패턴들이다.
[0090] 도 16a는 일부 실시예들에 따라 눈으로 들어오는 광 빔렛들의 개략도이다.
[0091] 도 16b는 일부 실시예들에 따라 렌즈들에 의해 망막 상에 포커싱된 도 16a의 광 빔렛들의 에너지 분포 패턴이다.
[0092] 도 17a는 일부 실시예들에 따라 빔릿들의 어레이를 생성하는 도광 광학 엘리먼트의 개략도이다.
[0093] 도 17b는 일부 실시예들에 따라 홍채에 의해 형성된 동공과 관련한 광 빔렛들의 개략도이다.
[0094] 도 18a 내지 18c는 다양한 실시예들에 따라 망막들 상의 광 빔렛들을 도시하는 개략도들이다.
[0095] 도 19는 일부 실시예들에 따라 빔 증배기(beam multiplier)를 통해 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도이다.
[0096] 도 20은 일부 실시예들에 따라 빔 증배기를 통해 눈으로 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도이다.
[0097] 도 21은 일부 실시예들에 따라 2개의 빔 증배기를 통해 눈으로 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도이다.
[0098] 도 22A-33I는 다양한 실시예들에 따라 빔 증배기들을 통해 전파하는 광 빔들 및 빔렛들의 개략도들이다.
[0099] 도 34는 도 6의 1차 도파관 장치의 일부 실시예들들의 평면도이다.
[0100] 도 35는 35-35 라인을 따라 취한 도 34의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0101] 도 36은 36-36 라인을 따라 취한 도 34의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0102] 도 37은 도 6의 1차 도파관 장치의 다른 실시예의 평면도이다.
[0103] 도 38은 도 6의 1차 도파관 장치의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0104] 도 39a-39c는 도 34의 1차 도파관 장치의 사시도들로서, 특히 상이한 초점 평면들에서의 아웃-커플링된 광 빔렛들의 방출을 도시한다.
[0105] 도 40a는 디스플레이 스크린의 도파관 장치의 비교적 희소한 출사 동공(sparse exit pupil)의 개념도이다.
[0106] 도 40b는 도 34의 1차 도파관 장치의 수정된 실시예의 비교적 조밀한 출사 동공(dense exit pupil)의 개념도이다.
[0107] 도 41은 도 40b의 수정된 1차 도파관 장치의 일부 실시예들의 평면도이다.
[0108] 도 42는 42-42 라인을 따라 취한 도 41의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0109] 도 43은 43-43 라인을 따라 취한 도 41의 1차 도파관 장치의 단면도이다.
[0110] 도 44는 도 40b의 수정된 1차 도파관 장치의 다른 실시예의 평면도이다.
[0111] 도 45는 45-45 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도이다.
[0112] 도 46은 46-46 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도이다.
[0113] 도 47a-47d는 도 45의 수정된 1차 도파관 장치에 이용되는 빔 분할 기법을 예시하는 프로파일도들이다.
[0114] 도 48은 48-48 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0115] 도 49는 49-49 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제1 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0116] 도 50은 50-50 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도이다.
[0117] 도 51은 51-51 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도이다.
[0118] 도 52는 52-52 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0119] 도 53은 53-53 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제2 변동의 단면도로서, 특히 광 빔렛들의 오버랩을 도시한다.
[0120] 도 54는 54-54 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제3 변동의 단면도이다.
[0121] 도 55는 55-55 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제3 변동의 단면도이다.
[0122] 도 56은 56-56 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제4 변동의 단면도이다.
[0123] 도 57은 57-57 라인을 따라 취한 도 44의 1차 도파관 장치의 제4 변동의 단면도이다.
[0124] 도 58은 도 2의 가상 이미지 생성 시스템에서 사용되는 디스플레이 서브시스템의 다른 실시예의 평면도이다.
[0125] 도 59a 및 59b는 PPE(pre-pupil expander)로 사전-확장된 디스플레이 스크린의 1차 도파관 장치의 비교적 조밀한 출사 동공의 개념도들이다.
[0126] 도 60은 도 6의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59b의 PPE의 일부 실시예들의 평면도이다.
[0127] 도 61은 61-61 라인을 따라 취한 도 60의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0128] 도 62는 62-62 라인을 따라 취한 도 60의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0129] 도 63은 도 60의 PPE를 사용한, 시준된 광 빔의 입사 동공의 출사 동공으로의 사전-확장 및 종래의 확장의 개념도이다.
[0130] 도 64는 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59b의 PPE의 다른 실시예의 평면도이다.
[0131] 도 65는 65-65 라인을 따라 취한 도 64의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0132] 도 66은 66-66 라인을 따라 취한 도 64의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0133] 도 67a 및 67b는 도 64의 PPE의 상이한 변동들의 프로파일도들이다.
[0134] 도 68은 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59b의 PPE의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0135] 도 69는 69-69 라인을 따라 취한 도 68의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0136] 도 70은 70-70 라인을 따라 취한 도 68의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0137] 도 71은 도 68의 PPE의 사시도이다.
[0138] 도 72는 72-72 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제1 변동의 단면도이다.
[0139] 도 73은 73-73 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제1 변동의 단면도이다.
[0140] 도 74는 74-74 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제2 변동의 단면도이다.
[0141] 도 75는 75-75 라인을 따라 취한 도 71의 PPE의 제2 변동의 단면도이다.
[0142] 도 76은 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 31a 및 31b의 PPE의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0143] 도 77은 77-77 라인을 따라 취한 도 76의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0144] 도 78은 78-78 라인을 따라 취한 도 76의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0145] 도 79는 도 76의 PPE의 사시도이다.
[0146] 도 80은 도 34의 1차 도파관 장치와 함께 사용되는 도 59a 및 59a의 PPE의 또 다른 실시예의 평면도이다.
[0147] 도 81은 81-81 라인을 따라 취한 도 80의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0148] 도 82는 82-82 라인을 따라 취한 도 80의 1차 도파관 장치 및 PPE의 단면도이다.
[0149] 도 83은 도 80의 PPE의 분해 사시도이다.
[0150] 도 84는 도 83의 PPE에 사용된 평면형 도파관 어셈블리의 일부 실시예들의 사시도이다.
[0151] 도 85a 및 85b는 도 84의 평면형 도파관 어셈블리에 사용되는 최상부 및 최하부 평면형 직교 도파관 유닛들의 사시도이다.
[0152] 도 86a 및 도 86b는 도 80의 PPE의 단면도들이다.
[0153] 도 87a-87c는 도 85a 및 85b의 최상부 및 최하부 평면형 직교 도파관 유닛들의 전달 함수들의 평면도들이다.
[0154] 도 88은 2 차원 어레이의 빔렛들을 고도로 포화된 출사 동공을 정의하도록 누적된 다수의 2 차원 빔렛으로 분할하기 위해 도 80의 PPE에 사용되는 최상부 평면형 도파관 어셈블리에 의해 수행된 다양한 세대의 빔 분할을 예시하는 하나의 다이어그램이다.
[0155] 도 89a-89h는 도 80의 PPE를 사용하여 단일 2 차원 어레이의 광 빔렛들로부터 다수의 2 차원 어레이들의 광 빔렛들을 생성하는 것을 예시하는 평면도들이다.
[0156] 도 90a-90d는 도 89a의 빔 패턴에서 4개의 상이한 빔렛 군(family)들과 도 89a의 단일 2 차원 어레이의 광 빔 렛들의 4개의 상이한 초기 빔렛들과의 대응을 예시하는 평면도들이다.
[00157] 아래의 설명은 증강 현실 시스템에서 사용될 디스플레이 서브시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 그러나, 비록 개시내용은 증강 현실 시스템들에서의 애플리케이션들에 매우 적합하지만, 개시내용은, 그것의 가장 넓은 양상들에 있어서, 그것으로 제한되지 않을 수 있고, 임의의 도파관-기반 이미징 시스템에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 개시내용은 가상 현실 시스템들에 적용될 수 있다. 따라서, 비록 증강 현실 시스템의 면에서 본원에서 종종 설명되지만, 교시들은 그런 용도들의 그런 시스템들로 제한되지 않아야 한다.
[00158] 개시내용의 다양한 실시예들은 단일 실시예에서 또는 다수의 실시예들에서 광학 시스템들을 구현하기 위한 시스템들, 방법들, 및 제조 물건들에 관련된다. 개시내용의 다른 목적들, 특징들, 및 장점들이 상세한 설명, 도면들, 및 청구항들에서 설명된다.
[00159] 다양한 실시예들이 도면들을 참조로 이제 상세히 설명될 것이고, 그 도면들은 당업자들이 개시내용을 실시할 수 있게 하기 위한 개시내용의 예시적인 예들로서 제공된다. 특히, 아래의 예들 및 도면들은 본 개시내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 개시내용의 특정 엘리먼트들이 알려진 컴포넌트들(또는 방법들 또는 프로세스들)을 사용하여 부분적으로 또는 전체적으로 구현되는 경우, 본 개시내용의 이해를 위해 필요한 그런 알려진 컴포넌트들(또는 방법들 또는 프로세스들)의 단지 이들 부분들만이 설명될 것이고, 그런 알려진 컴포넌트들(또는 방법들 또는 프로세스들)의 다른 부분들의 상세한 설명은 개시내용을 불명확하지 않게 하기 위해서 생략될 것이다. 추가로, 다른 실시예들은 예시로서 본원에서 참조되는 컴포넌트들에 대한 존재하는 그리고 미래에 알려지는 등가물들을 포함한다.
[00160] 광학 시스템들이 AR/MR 시스템들과 독립적으로 구현될 수 있지만, 아래의 많은 실시예들은 단지 예시 목적을 위해 AR/MR 시스템들에 관련하여 설명된다.
[00161] 도 2를 참조하면, 본 개시내용에 따라 구성된 가상 이미지 생성 시스템(100)의 일부 실시예들이 이제 설명될 것이다. 가상 이미지 생성 시스템(100)이 증강 현실 서브시스템으로서 동작될 수 있어서, 최종 사용자(50)의 시야 내에 있는 물리적 오브젝트들과 섞이는 가상 오브젝트들의 이미지들이 제공된다. 가상 이미지 생성 시스템(100)을 동작시킬 때 2개의 기본적인 접근법들이 존재한다. 제1 접근법은 주변 환경의 이미지들을 캡처하기 위해 하나 이상의 이미저들(예컨대, 카메라들)을 이용한다. 가상 이미지 생성 시스템(100)은 주변 환경의 이미지들을 표현하는 데이터에 가상 이미지들을 섞는다. 제2 접근법은 주변 환경이 보일 수 있게 하는 적어도 부분적으로 투명한 하나 이상의 표면들을 이용하고, 그 표면들 상에 가상 이미지 생성 시스템(100)이 가상 오브젝트들의 이미지들을 생성한다.
[00162] 가상 이미지 생성 시스템(100), 및 본원에서 교시된 다양한 기법들은 증강 현실 및 가상 현실 서브시스템들 이외의 애플리케이션들에서 이용될 수 있다. 예컨대, 다양한 기법들이 임의의 투사 또는 디스플레이 서브시스템에 적용될 수 있거나, 또는 최종 사용자의 머리보다는 손이 움직일 수 있는 경우에는 피코 투사기(pico projector)들에 적용될 수 있다. 따라서, 비록 증강 현실 서브시스템 또는 가상 현실 서브시스템의 면에서 본원에서 종종 설명되지만, 교시들은 그런 용도들의 그런 서브시스템들로 제한되지 않아야 한다.
[00163] 적어도 증강 현실 애플리케이션들의 경우에는, 최종 사용자(50)의 시야 내에 있는 개개의 물리적 오브젝트들에 대해 다양한 가상 오브젝트들을 공간적으로 포지셔닝하는 것이 바람직할 수 있다. 본원에서 가상 태그들 또는 태그로도 지칭되거나 불리는 가상 오브젝트들은 여러 다양한 형태들, 즉, 기본적으로 이미지로서 표현될 수 있는 임의의 다양한 데이터, 정보, 개념, 또는 로지컬 구성(logical construct) 중 임의의 것을 취할 수 있다. 가상 오브젝트들의 비-제한적인 예들은 가상 텍스트 오브젝트, 가상 수치 오브젝트, 가상 알파뉴메릭 오브젝트, 가상 태그 오브젝트, 가상 필드 오브젝트, 가상 차트 오브젝트, 가상 맵 오브젝트, 가상 기구 오브젝트, 또는 물리적 오브젝트의 가상 시각 표현을 포함할 수 있다.
[00164] 가상 이미지 생성 시스템(100)은, 최종 사용자(50)에 의해 착용되는 프레임 구조(102), 최종 사용자(50)의 눈들(52) 앞에 포지셔닝되도록 프레임 구조(102)에 의해 지지되는 디스플레이 서브시스템(104), 및 최종 사용자(50)의 외이도에 인접하게 포지셔닝되도록 프레임 구조(102)에 의해 지지되는 스피커(106)(선택적으로, 다른 스피커(미도시)가 입체/형상화가능한 사운드 제어를 제공하기 위해 최종 사용자(50)의 다른 외이도에 인접하게 포지셔닝됨)를 포함한다. 디스플레이 서브시스템(104)은 물리적 현실에 대한 증강들로서 편안하게 지각될 수 있는 사진-기반 방사 패턴, 고-레벨들의 이미지 품질, 및 3-차원 지각을 최종 사용자(50)의 눈들(52)에 제공할 뿐만 아니라 2-차원 콘텐츠도 제공할 수 있도록 설계된다. 디스플레이 서브시스템(104)은 단일 코히어런트 장면(single coherent scene)의 지각을 제공하는 고 주파수로 프레임들의 시퀀스를 제공한다.
[00165] 예시된 실시예에서, 디스플레이 서브시스템(104)은 투명한(또는 반-투명한) 엘리먼트들을 통해 실제 오브젝트들로부터의 광을 사용자가 직접적으로 볼 수 있게 하는 "광학 시스루" 디스플레이를 이용한다. "결합기"로서 종종 지칭되는 투명한 엘리먼트는 실세계의 사용자의 뷰에 디스플레이로부터의 광을 중첩시킨다. 이를 위해, 디스플레이 서브시스템(104)은 투사 서브시스템(108), 및 그 투사 서브시스템(108)이 이미지들을 투사하는 적어도 부분적으로 투명한 디스플레이 스크린(110)을 포함한다. 디스플레이 스크린(110)이 최종 사용자(50)의 눈들(52)과 주변 환경 사이의 최종 사용자(50)의 시야에 포지셔닝됨으로써, 주변 환경으로부터의 직사광이 디스플레이 스크린(110)을 통해 최종 사용자(50)의 눈들(52)로 투과된다.
[00166] 예시된 실시예에서, 이미지 투사 어셈블리(108)가 스캔된 광을 부분적으로 투명한 디스플레이 스크린(110)에 제공함으로써, 스캔된 광이 주변 환경으로부터의 직사광과 결합하고 디스플레이 스크린(110)으로부터 사용자(50)의 눈들(52)에 투과된다. 예시된 실시예에서, 투사 서브시스템(108)은 광섬유 스캔-기반 투사 디바이스의 형태를 취하고, 디스플레이 스크린(110)은, 예컨대, 무한대보다는 더 가까운 단일 광학 뷰잉 거리(예컨대, 팔의 길이)에서의 이미지들, 다수의 이산 광학 뷰잉 거리들 또는 초점 평면들에서의 이미지들, 및/또는 볼류메트릭 3D 오브젝트들을 표현하기 위해 다수의 뷰잉 거리들 또는 초점 평면들에 스택된 이미지 층들을 생성하기 위해, 투사 서브시스템(108)으로부터의 스캔된 광이 주입되는 도파관-기반 디스플레이의 형태를 취한다. 광 필드 내의 이들 층들은 인간 시각 서브시스템에 연속적으로 나타나기에 충분히 가깝게 함께 스택될 수 있다(즉, 하나의 층이 인접한 층의 혼돈의 콘 내에 있음). 추가적으로 또는 대안적으로, 심지어 둘 이상의 층들이 더욱 성기게 스택된 경우에도(즉, 하나의 층이 인접한 층의 혼돈의 콘 밖에 있음), 사진 엘리먼트들은 광 필드 내의 층들 간의 지각되는 전환 연속성을 증가시키기 위해 그 둘 이상의 층들에 걸쳐 뒤섞일 수 있다. 디스플레이 서브시스템(104)은 단안 또는 양안일 수 있다.
[00167] 가상 이미지 생성 시스템(100)은 최종 사용자(50)의 머리(54)의 포지션 및 움직임 및/또는 최종 사용자(50)의 눈 포지션 및 눈사이의(inter-ocular) 거리를 검출하기 위해서 프레임 구조(102)에 장착된 하나 이상의 센서들(미도시)을 더 포함한다. 이런 센서(들)는 이미지 캡처 디바이스들(이를테면, 카메라들), 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴퍼스, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들, 및/또는 자이로들을 포함할 수 있다.
[00168] 가상 이미지 생성 시스템(100)은 사용자 배향 검출 모듈(112)을 더 포함한다. 사용자 배향 모듈(112)은 최종 사용자(50)의 머리(54)의 순시적인 포지션을 검출하고, 센서(들)로부터 수신되는 포지션 데이터에 기반하여 최종 사용자(50)의 머리(54)의 포지션을 예측할 수 있다. 최종 사용자(50)의 머리(54)의 순시적인 포지션을 검출하는 것이 최종 사용자(50)가 보고 있는 특정한 실제 오브젝트의 결정을 가능하게 함으로써, 그 실제 오브젝트에 대해 생성될 특정한 텍스츄얼(textual) 메시지의 표시가 제공되고, 또한 텍스츄얼 메시지가 스트리밍될 텍스츄얼 구역의 표시가 제공된다. 사용자 배향 모듈(112)은 또한 센서(들)로부터 수신되는 추적 데이터에 기반하여 최종 사용자(50)의 눈들(52)을 추적한다.
[00169] 가상 이미지 생성 시스템(100)은 여러 다양한 형태들을 취할 수 있는 제어 서브시스템을 더 포함한다. 제어 서브시스템은 다수의 제어기들, 예컨대 하나 이상의 마이크로제어기들, 마이크로프로세서들 또는 CPU(central processing unit)들, 디지털 신호 프로세서들, GPU(graphics processing unit)들, 다른 집적 회로 제어기들, 이를테면 ASIC(application specific integrated circuit)들, PGA(programmable gate array)들, 예컨대 FPGA(field PGA)들, 및/또는 PLU(programmable logic controller)들을 포함한다.
[00170] 가상 이미지 생성 시스템(100)의 제어 서브시스템은 CPU(central processing unit)(114), GPU(graphics processing unit)(116), 하나 이상의 프레임 버퍼들(118), 및 3-차원 장면 데이터를 저장하기 위한 3-차원 데이터베이스(120)를 포함한다. CPU(114)는 전체 동작을 제어하는데 반해, GPU(116)는 3-차원 데이터베이스(120)에 저장된 3-차원 데이터로부터 프레임들을 렌더링(즉, 3-차원 장면을 2-차원 이미지로 전환)하고, 이들 프레임들을 프레임 버퍼(들)(116)에 저장한다. 비록 예시되지는 않았지만, 하나 이상의 추가적인 집적 회로들이 프레임 버퍼(들)(116)로 프레임들을 기록하고 그리고/또는 프레임 버퍼(들)(116)로부터 프레임들을 판독하는 것 및 디스플레이 서브시스템(104)의 이미지 투사 어셈블리(108)의 동작을 제어할 수 있다.
[00171] 가상 이미지 생성 시스템(100)의 다양한 프로세싱 컴포넌트들이 분산형 서브시스템에 물리적으로 포함될 수 있다. 예컨대, 도 3a-3d에 예시된 바와 같이, 가상 이미지 생성 시스템(100)은, 이를테면 유선 리드 또는 무선 연결성(136)에 의해, 디스플레이 서브시스템(104) 및 센서들에 동작가능하게 커플링된 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)을 포함한다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)은 다양한 구성들로, 이를테면, 프레임 구조(102)에 고정적으로 부착되는 구성(도 3a)으로, 헬멧 또는 모자(56)에 고정적으로 부착되는 구성(도 3b)으로, 헤드폰들에 임베딩되는 구성으로, 최종 사용자(50)의 몸통(58)에 제거가능하게 부착되는 구성(도 3c)으로, 또는 벨트-커플링 스타일 구성에서 최종 사용자(50)의 엉덩이(60)에 제거가능하게 부착되는 구성(도 3d)으로 장착될 수 있다. 가상 이미지 생성 시스템(100)은, 이를테면 유선 리드 또는 무선 연결성(138, 140)에 의해서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)에 동작가능하게 커플링되는 원격 프로세싱 모듈(132) 및 원격 데이터 저장소(134)를 더 포함함으로써, 이들 원격 모듈들(132, 134)이 서로 동작가능하게 커플링되고 그리고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)에 자원들로서 이용가능하다.
[00172] 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)은 전력-효율적 프로세서 또는 제어기, 및 디지털 메모리, 이를테면 플래시 메모리를 포함할 수 있고, 이들 둘 모두는 센서들로부터 캡처되고 그리고/또는 원격 프로세싱 모듈(132) 및/또는 원격 데이터 저장소(134)를 사용하여 획득 및/또는 프로세싱되는(어쩌면, 이러한 프로세싱 또는 리트리벌 이후에 디스플레이 서브시스템(104)으로의 전달을 위해) 데이터의 프로세싱, 캐싱, 및 저장을 보조하기 위해 활용될 수 있다. 원격 프로세싱 모듈(132)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 비교적 강력한 프로세서들 또는 제어기들을 포함할 수 있다. 원격 데이터 저장소(134)는 비교적 대규모 디지털 데이터 스토리지 설비를 포함할 수 있고, 그 설비는 "클라우드" 자원 구성에서 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통해 이용가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터가 저장되고, 모든 컴퓨테이션이 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)에서 수행됨으로써, 임의의 원격 모듈들로부터의 완전히 자율적인 사용이 허용된다.
[00173] 위에서 설명된 다양한 컴포넌트들 간의 커플링들(136, 138, 140)은 유선 또는 광학 통신들을 제공하기 위한 하나 이상의 유선 인터페이스들 또는 포트들, 또는 이를테면 RF, 마이크로파, 및 무선 통신들을 제공하기 위한 IR을 통한 하나 이상의 무선 인터페이스들 또는 포트들을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 모든 통신들은 유선적일 수 있지만, 다른 구현들에서는 모든 통신들이 무선적일 수 있다. 더 추가적인 구현들에서, 유선 및 무선 통신들의 선정은 도 3a-3d에 예시된 것과 상이할 수 있다. 따라서, 유선 또는 무선 통신들의 특정 선정은 제한적인 것으로 고려되지 않아야 한다.
[00174] 예시된 실시예에서, 사용자 배향 모듈(112)은 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)에 포함되는데 반해, CPU(114) 및 GPU(116)는 원격 프로세싱 모듈(132)에 포함되지만, 대안적인 실시예들에서는, CPU(114), GPU(124), 또는 이들의 부분들이 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(130)에 포함될 수 있다. 3D 데이터베이스(120)는 원격 데이터 저장소(134)와 연관될 수 있다.
[00175] 도광 광학 엘리먼트들의 실시예들의 세부사항들을 설명하기 전에, 본 개시내용은 예시적인 MR 시스템들의 간략한 설명을 이제 제공할 것이다.
[00176] MR 시스템을 구현하기 위한 하나의 가능한 접근법은 복수의 볼륨 위상 홀로그램들, 표면-양각 홀로그램(surface-relief hologram)들, 또는 개개의 깊이 평면들로부터 발생하는 것으로 나타나는 이미지들을 생성하도록 깊이 평면 정보로 임베딩된 도광 광학 엘리먼트들을 사용한다. 다른 말로, 회절 패턴, 또는 DOE(diffractive optical element)가 LOE(light guiding optical element)(예컨대, 평면형 도파관) 내에 임베딩되거나 그것에 임프린팅/엠보싱될 수 있음으로써, 시준된 광(실질적으로 평면형 파면들을 갖는 광 빔들)이 LOE를 따라 실질적으로 내부 전반사될 때, 그 시준된 광은 다수의 위치들에서 회절 패턴에 교차하고 사용자의 눈을 향해 출사한다. DOE들을 통해 LOE로부터 출사하는 광이 버징(verged)되도록 그 DOE들이 구성됨으로써, 그것들은 특정 깊이 평면으로부터 발생하는 것으로 나타난다. 시준된 광은 광학 콘덴싱 렌즈(optical condensing lens)("콘덴서")를 사용하여 생성될 수 있다.
[00177] 예컨대, 제1 LOE는 광학 무한대 깊이 평면(0 디옵터)으로부터 발생하는 것으로 나타나는 시준된 광을 눈에 전달하도록 구성될 수 있다. 다른 LOE는 2 미터의 거리(1/2 디옵터)로부터 발생하는 것으로 나타나는 시준된 광을 전달하도록 구성될 수 있다. 또 다른 LOE는 1 미터의 거리(1 디옵터)로부터 발생하는 것으로 나타나는 시준된 광을 전달하도록 구성될 수 있다. 스택된 LOE 어셈블리를 사용함으로써, 다수의 깊이 평면들이 생성되고, 각각의 LOE는 특정 깊이 평면으로부터 발생하는 것으로 나타나는 이미지들을 디스플레이하도록 구성된다는 것이 인지될 수 있다. 스택은 임의의 수의 LOE들을 포함할 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 그러나, 적어도 N개의 스택된 LOE들이 N개의 깊이 평면들을 생성하기 위해 요구된다. 추가로, N, 2N 또는 3N개의 스택된 LOE들이 N개의 깊이 평면들에서 RGB 컬러 이미지들을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
[00178] 3-D 가상 콘텐츠를 사용자에게 제공하기 위해서, MR(mixed reality) 시스템은 가상 콘텐츠의 이미지들을 사용자의 눈에 투사함으로써, 이미지들은 Z 방향으로(즉, 사용자의 눈으로부터 멀어지게 직교하게) 다양한 깊이 평면들로부터 발생하는 것으로 나타난다. 다른 말로, 가상 콘텐츠는 X 및 Y 방향들(즉, 사용자의 눈의 중앙 시각 축에 직교하는 2D 평면)로 변할 뿐만 아니라 Z 방향으로도 변하는 것으로 나타날 수 있어서, 사용자는 매우 가까이 있거나 먼 거리에 있거나 또는 그 사이의 임의의 거리에 있는 것으로 오브젝트를 지각할 수 있다. 다른 실시예들에서, 사용자는 상이한 깊이 평면들에서 동시적으로 다수의 오브젝트들을 지각할 수 있다. 예컨대, 사용자는 가상 용이 아주 먼 곳에서 나타나서 사용자 쪽으로 달려오는 것을 볼 수 있다. 대안적으로, 사용자는 사용자로부터 3미터 먼 거리에 있는 가상 새 및 사용자로부터 팔 길이(약 1미터)에 있는 가상 커피 컵을 동시적으로 볼 수 있다.
[00179] 다중-평면 포커스 시스템들은 사용자의 눈으로부터 Z 방향의 개개의 고정된 거리들에 위치된 복수의 깊이 평면들 중 일부 또는 모두 상에 이미지들을 투사함으로써 가변 깊이의 지각을 생성한다. 이제 도 9를 참조하면, 다중-평면 포커스 시스템들은 고정된 깊이 평면들(502)(예컨대, 도 9에 도시된 6개의 깊이 평면들(502))에 프레임들을 디스플레이할 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 비록 MR 시스템들은 임의의 수의 깊이 평면들(502)을 포함할 수 있지만, 하나의 예시적인 다중-평면 포커스 시스템은 Z 방향에 6개의 고정된 깊이 평면들(502)을 갖는다. 6개의 깊이 평면들(502) 중 하나 이상에서 가상 콘텐츠를 생성하는데 있어서, 사용자가 사용자의 눈으로부터 가변 거리들에 있는 하나 이상의 가상 오브젝트들을 지각하도록 3-D 지각이 생성된다. 인간 눈이 멀리 있는 것으로 나타나는 오브젝트들보다 더 가까운 거리에 있는 오브젝트들에 더 민감하다는 것을 고려해볼 때, 도 9에 도시된 바와 같이, 더 많은 깊이 평면들(502)이 눈에 더 가깝게 생성된다. 다른 실시예들에서, 깊이 평면들(502)은 서로로부터 동일한 거리만큼 떨어져 배치될 수 있다.
[00180] 깊이 평면 포지션들(502)이 디옵터 단위로 측정될 수 있고, 디옵터는 미터 단위로 측정되는 초점 길이의 역수와 동일한 광 파워의 단위이다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 깊이 평면 1은 1/3 디옵터만큼 떨어져 있을 수 있고, 깊이 평면 2는 0.3 디옵터만큼 떨어져 있을 수 있고, 깊이 평면 3은 0.2 디옵터만큼 떨어져 있을 수 있고, 깊이 평면 4는 0.15 디옵터만큼 떨어져 있을 수 있고, 깊이 평면 5는 0.1 디옵터만큼 떨어져 있을 수 있으며, 깊이 평면 6은 무한대(즉, 0 디옵터만큼 떨어져 있음)를 표현할 수 있다. 다른 실시예들은 다른 거리들/디옵터들에서 깊이 평면들(502)을 생성할 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 따라서, 전략적으로 배치된 깊이 평면들(502)에서 가상 콘텐츠를 생성하는데 있어서, 사용자는 3 차원으로 가상 오브젝트들을 지각할 수 있다. 예컨대, 사용자는, 깊이 평면 1에서 디스플레이될 때는 제1 가상 오브젝트를 그에게 가까운 것으로 지각할 수 있는데 반해, 다른 가상 오브젝트는 깊이 평면 6에서 무한대에 나타나는 것으로 지각할 수 있다. 대안적으로, 가상 오브젝트는 사용자에게 매우 가깝게 나타날 때까지, 먼저 깊이 평면 6에 디스플레이되고, 그런다음 깊이 평면 5에 디스플레이되는 식일 수 있다. 위의 예들은 예시적인 목적들로 상당히 단순화되어 있다는 것이 인지되어야 한다. 다른 실시예에서, 6개의 모든 깊이 평면들은 사용자로부터 먼 특정 초점 거리에 집중될 수 있다. 예컨대, 만약 디스플레이될 가상 콘텐츠가 사용자로부터 0.5미터 떨어져 있는 커피 컵이라면, 6개의 모든 깊이 평면들이 그 커피 컵의 다양한 단면들에서 생성될 수 있어서, 그 커피 컵의 매우 세분화된 3-D 뷰를 사용자에게 제공할 수 있다.
[00181] 일부 실시예들에서, AR 시스템은 다중-평면 포커스 시스템으로서 작동할 수 있다. 다른 말로, 6개의 모든 LOE들이 동시적으로 조명될 수 있음으로써, 6개의 고정된 깊이 평면들로부터 발생하는 것으로 나타나는 이미지들이, 광원들이 신속하게 이미지 정보를 LOE1, 이어서 LOE2, 이어서 LOE3 등으로 전달함에 따라, 신속히 잇따라 생성된다. 예컨대, 광학 무한대의 하늘의 이미지를 포함하는 원하는 이미지의 일부가 시간 1에 주입될 수 있고, 광의 시준을 유지하는 LOE(1090)(예컨대, 도 9의 깊이 평면 6)가 활용될 수 있다. 그런다음, 더 가까운 나무 가지의 이미지가 시간 2에서 주입될 수 있고, 10미터 떨어진 깊이 평면(예컨대 도 9의 깊이 평면 5)으로부터 발생하는 것으로 나타나는 이미지를 생성하도록 구성된 LOE(1090)가 활용될 수 있고; 그런다음 펜의 이미지가 시간 3에서 주입될 수 있고, 1미터 떨어진 깊이 평면으로부터 발생하는 것으로 나타나는 이미지를 생성하도록 구성된 LOE(1090)가 활용될 수 있다. 이런 타입의 패러다임이 신속한 시간 순차적 (예컨대 360 Hz) 방식으로 반복될 수 있음으로써, 사용자의 눈 및 뇌(예컨대, 시각 피질)가 입력을 동일한 이미지의 모든 부분인 것으로 지각한다.
[00182] AR 시스템들은 3-D 경험/시나리오들을 위한 이미지들을 생성하기 위해 Z 축을 따라 다양한 위치들(즉, 깊이 평면들)로부터 발생하는 것으로 나타나는 이미지들을 (예컨대, 광 빔들을 발산 또는 수렴시킴으로써) 투사하도록 요구된다. 본 출원에서 사용되는 바와 같이, 광 빔들은 광원으로부터 방사하는 광 에너지(가시적인 및 비가시적인 광 에너지를 포함함)의 방향성 투사들을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 다양한 깊이 평면들로부터 발생하는 것으로 나타나는 이미지들을 생성하는 것은 그 이미지에 대한 사용자의 눈의 이접운동 및 원근조절을 따르고, 이접운동-원근조절 충돌을 최소화하거나 제거한다.
[00183] 도 4는 단일 깊이 평면에 이미지들을 투사하기 위한 기본 광학 시스템(400)을 묘사한다. 시스템(400)은 광원(420), 및 회절 광학 엘리먼트(미도시) 및 그와 연관된 ICG(in-coupling grating)(492)를 갖는 LOE(490)를 포함한다. 회절 광학 엘리먼트들은 볼류메트릭 또는 표면 양각을 포함한 임의의 타입일 수 있다. 일부 실시예들에서, ICG(492)는 LOE(490)의 반사-모드 알루미늄 도금 부분이다. 다른 실시예에서, ICG(492)는 LOE(490)의 투과성 회절 부분이다. 시스템(400)이 사용 중일 때, 광원(420)으로부터의 광 빔은 ICG(492)를 통해 LOE(490)에 들어가고, 사용자의 눈에 디스플레이하기 위해 실질적으로 TIR(total internal reflection)에 의해서 LOE(490)를 따라 전파된다. 비록 단지 하나의 빔만이 도 4에 예시되어 있지만, 다수의 빔들이 동일한 ICG(492)를 통해 다양한 각도들로부터 LOE(490)에 들어갈 수 있다는 것이 이해된다. LOE에 "들어가는" 또는 LOE에 "수용되는(admitted)" 광 빔은 실질적으로 TIR에 의해 LOE를 따라 전파되도록 LOE와 상호작용하는 광 빔을 포함하지만, 그것으로 제한되지는 않는다. 도 4에 묘사된 시스템(400)은 다양한 광원들(420)(예컨대, LED들, OLED들, 레이저들, 및 마스킹된 광역/광대역 방출기들)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 광원(420)으로부터의 광은 광섬유 케이블들(미도시)을 통해 LOE(490)에 전달될 수 있다.
[00184] 이제 도 5를 참조하면, 이미지 투사 어셈블리(108)는 광을 생성하는(예컨대, 정의된 패턴들로 상이한 컬러들의 광을 방출하는) 하나 이상의 광원들(150)을 포함한다. 광원(들)(150)은 여러 다양한 형태들 중 임의의 형태, 예컨대, 픽셀 정보 또는 데이터의 개개의 프레임에 특정되어 있는 정의된 픽셀 패턴들에 따라 적색, 녹색 및 청색의 코히어런트한 시준된 광을 각각 생성하도록 동작가능한 한 세트의 RGB 레이저들(예컨대, 적색, 녹색, 및 청색 광을 출력할 수 있는 레이저 다이오드들)을 취할 수 있다. 레이저 광은 높은 컬러 포화도를 제공하고, 매우 에너지 효율적이다.
[00185] 이미지 투사 어셈블리(108)는 제어 신호들에 대한 응답으로 미리 결정된 스캔 패턴으로 광을 스캔하는 스캐닝 디바이스(152)를 더 포함한다. 스캐닝 디바이스(152)는 하나 이상의 광섬유들(154) (예컨대, 단일 모드 광섬유)를 포함하며, 하나 이상의 광섬유들(154) 각각은 광원(들)(150)으로부터 광을 수신하는 근단부(proximal end)(154a) 및 디스플레이 스크린(110)에 광을 제공하는 원단부(distal end)(154b)를 갖는다. 스캐닝 디바이스(152)는 광섬유(들)(154)가 장착되는 기계적 구동 어셈블리(156)를 더 포함한다. 구동 어셈블리(156)는 스캔 패턴에 따라 받침점(158) 주위에 각각의 광섬유(154)의 원단부(154b)를 배치하도록 구성된다.
[00186] 이를 위해, 구동 어셈블리(156)는 광섬유(들)(154)가 장착되는 압전 엘리먼트(160) 및 압전 엘리먼트(160)에 전기 신호들을 전달하도록 구성되는 구동 전자장치(162)를 포함하며, 이로써 광섬유(154)의 원단부(154b)로 하여금 스캔 패턴에 따라 진동하게 한다. 따라서, 광원(들)(150) 및 구동 전자장치(162)의 동작은 공간적으로 및/또는 시간적으로 변하는 광의 형태로 인코딩되는 이미지 데이터를 생성하는 방식으로 조정된다. 광섬유 스캐닝 기법들에 대한 설명들은 미국 특허 번호 제2015/0309264호에 제공되어 있으며, 이 특허는 본원에 인용에 의해 명백하게 포함된다.
[00187] 이미지 투사 어셈블리(108)는 스캐닝 디바이스(152)로부터의 광을 디스플레이 스크린(110)에 커플링하는 광학 커플링 어셈블리(164)를 더 포함한다. 광학 커플링 어셈블리(164)는 스캐닝 디바이스(152)에 의해 방출되는 광을 시준된 광 빔(250)으로 시준하는 시준 엘리먼트(166)를 포함한다. 비록 시준 엘리먼트(166)가 도 5에서 광섬유(들)(154)로부터 물리적으로 분리된 것으로 예시되어 있지만, 시준 엘리먼트는 "마이크로-렌즈" 어레인지먼트에서 각각의 광섬유(154)의 원단부(154b)에 물리적으로 장착될 수 있는데, 이는 "Microlens Collimator for Scanning Optical Fiber in Virtual/Augmented Reality System"이라는 명칭을 갖는 미국 특허 출원 일련번호 제15/286,215호에 설명되어 있으며, 이 출원은 인용에 의해 본원에 명백하게 포함된다. 광학 커플링 서브시스템(164)은, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 광이 디스플레이 스크린(110)내에서 원하는 방향으로 전파하도록 보장하는 각도로 디스플레이 스크린(110)의 단부로 광을 광학적으로 커플링하기 위해, IC(in-coupling) 엘리먼트(168), 예컨대 하나 이상의 반사성 표면들, 회절 격자들, 미러들, 이색성 미러들, 또는 프리즘들을 더 포함한다.
[00188] 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 광학 커플링 서브시스템(164)은 시준된 광 빔(250)을 디스플레이 스크린(110)에 광학적으로 커플링하며, 디스플레이 스크린(110)은 최종 사용자(50)의 입사 동공 사이즈에 비례하도록 시준된 광 빔(250)의 동공 사이즈를 확장시킬 것이다. 아래에서 설명되는 실시예들에서, 디스플레이 스크린(110)은 "빔 증배(beam multiplication)"로 알려진 기법을 이용하는데, 이 기법은 개개의 광 빔(250)을 다수의 광 빔렛들에 곱함으로써 이미지 투사 어셈블리(108)로부터 각각의 시준된 광 빔(250)의 작은 직경 입사 동공을 (예컨대, 대략 50마이크론 내지 1mm 정도) 확장하여, 고정된 눈동자 거리에 대해 사용자의 눈 또는 눈들의 입사 동공과 (예컨대, 대략 5mm-7mm 정도) 효과적으로 매칭하는 광 빔렛 어레이 출사 동공을 산출하도록 구체적으로 설계된 출사 동공 확장 방법들로 지칭된다. 특히, 비록 "빔 증배" 기법들이 디스플레이 스크린(110)에서 수행되는 것으로 본원에서 설명되었지만, 이러한 "빔 증배" 기법들은 디스플레이 스크린(110)으로부터 업스트림에 있는 임의의 유사한 기판 시스템/서브시스템을 포함하여, 이미지 생성 시스템(100)의 임의의 위치에 적용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[00189] 주어진 충전 팩터를 달성하기 위해 시준된 광 빔(250)이 곱해질 필요가 있는 정도는 시준된 광 빔(250)의 오리지널 동공 사이즈에 의존할 것이다. 예컨대, 이미지 투사 어셈블리(108)에 의해 출력된 시준된 광 빔의 오리지널 동공 사이즈가 500마이크론이면, 이러한 동공 사이즈는 원하는 충전 팩터를 달성하기 위해 10배로 곱해질 필요가 있을 수 있지만, 이미지 투사 어셈블리(108)에 의해 출력된 시준된 광 빔(250)의 오리지널 동공 사이즈가 50마이크론이면, 이러한 동공은 원하는 충전 팩터를 달성하기 위해 100배로 곱해질 필요가 있을 수 있다.
[00190] 바람직하게는, 디스플레이 스크린의 광 빔렛 어레이 출사 동공은 파면 밀도를 최대화하고 피사계 심도를 최소화하기 위해 광 빔렛들로 완벽하게 채워지거나 포화된다. 만일 출사 동공에 광 빔렛들을 채우는 것(in-fill)이 너무 희소하면 디스플레이 스크린의 파면 밀도 및 피사계 심도는 손상될 것이며, 만일 광 빔렛들의 직경이 너무 작으면, 디스플레이 스크린의 각도 해상도가 손상될 것이다.
[00191] 이론적으로, 디스플레이 스크린(110)의 두께는 디스플레이 스크린(110)으로 입력된 단일 시준된 광 빔(250)으로부터 생성된 광 빔렛들의 수를 증가시키기 위해 감소될 수 있으며, 이로써 광 빔렛들로 출사 동공을 채우는 것이 증가될 수 있다. 그러나, 내구력 및 제조 제한들로 인해, 디스플레이 스크린(110)은 단지 매우 얇게 만들어질 수 있으며, 이로써 출사 동공의 채우기가 제한될 수 있다. 또한, 비록 이미지 투사 어셈블리(108)로부터 디스플레이 스크린(110)으로 송신된 시준된 광 빔(250)의 입사 동공이 광 빔렛들로 출사 동공의 채우기를 증가시키기 위해 이론적으로 증가될 수 있지만, 이는 이러한 증가에 비례하여 이미지 투사 어셈블리(108)의 사이즈의 증가를 요구할 것이며, 이로써 네거티브 방식으로 VR/AR 시스템의 내구성에 영향을 미친다. 중요하게도, 아래에 설명된 실시예들은 이미지 투사 어셈블리(108)의 사이즈의 증가를 요구하지 않고 출사 동공의 채우기를 증가시킨다.
[00192] 이를 위해, 디스플레이 스크린(110)은 최종 사용자(50)의 눈(52) (단안) 또는 눈들(52)(양안)에 디스플레이하기 위해 (이미지 정보를 반송하는) 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 확장시키는 PE(pupil expander)의 역할을 한다. 디스플레이 스크린(110)은 평면 광 도파관(172), 및 평면 광 도파관(172)에 광학적으로 커플링되는 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 2 차원적으로 확장시키기 위해 평면 광 도파관(172)과 연관된 하나 이상의 DOE(diffractive optical element)들(174)을 포함하는 도파관 장치(170)의 형태를 취한다. 대안적인 실시예들에서, 도파관 장치(170)는 다수의 평면 광 도파관들(172) 및 평면 광 도파관들(172)과 각각 연관된 DOE들(174)을 포함할 수 있다.
[00193] 도 6에 잘 예시된 바와 같이, 평면 광 도파관(172)은 제1 단부(176a) 및 제2 단부(176b)를 가지며, 제2 단부(176b)는 평면 광 도파관(172)의 길이(178)를 따라 제1 단부(176a)와 대향한다. 평면 광 도파관(172)은 제1 면(180a) 및 제2 면(180b)을 가지며, 적어도 제1 및 제2 면(180a, 180b)(총체적으로 180)은 평면 광 도파관(172)의 길이(178)의 적어도 일부를 따라 적어도 하나의 부분적으로 내반사성(internally reflective) 광학 경로(실선 화살표(182a) 및 파선 화살표(182b), 총체적으로는 182로 예시됨)를 형성한다. 평면 광 도파관(172)은 정의된 임계 각도 미만에서 면들(180)에 충돌하는 광에 대한 실질적 내부 전반사(TIR)를 제공하는 다양한 형태들을 취할 수 있다.
[00194] DOE(들)(174) (도 5 및 6에서 대시-점 이중선들로 예시됨)은 TIR 광학 경로(182)를 인터럽트하는 여러 다양한 형태들을 취할 수 있으며, 이에 따라 평면 광 도파관(172)의 길이(178)의 적어도 일부를 따라 확장하는 평면 광 도파관(172)의 내부(185a)와 외부(185b) 사이에 복수의 광학 경로들(실선 화살표들(184a) 및 파선 화살표들(184b), 총체적으로는 184로 예시됨)을 제공할 수 있다. 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 광은 내반사성 광학 경로를 따라 평면 광 도파관(172) 내에서 전파되고 다양한 포지션들에서 DOE(들)(174)와 교차하여, 상이한 내반사성 광학 경로를 따라 회절되거나 또는 평면 광 도파관(172)의 면(180b) 밖으로 회절되는 광 빔렛들로 광이 분할된다.
[00195] 예시된 실시예에서, DOE(들)(174)는 하나 이상의 회절 격자들을 포함하며, 이들 회절 격자들 각각은 상이한 방향들로 이동하는 몇몇의 빔들로 광을 분할하여 회절시키는 광 파장 정도의 주기적 구조를 갖는 광학 컴포넌트로 특징지어질 수 있다. 회절 격자들은 예컨대 기판 상에 포토리소그래피로 프린트될 수 있는 표면 나노-릿지(ridge)들, 나노-패턴들, 슬릿들 등으로 구성될 수 있다. DOE(들)(174)는 자명한 오브젝트들의 포지셔닝을 가능하게 하여 자명한 오브젝트들에 대한 평면을 포커싱할 수 있다. 이는 프레임 단위, 서브-프레임 단위, 또는 심지어 픽셀-단위로 달성될 수 있다.
[00196] 도 6에 예시된 바와 같이, 광은 TIR 전파로 인해 적어도 일부가 반사되거나 또는 "바운싱" 되면서 평면 광 도파관(172)을 따라 전파된다. 일부 구현들은 내부 광학 경로에 하나 이상의 반사기를, 예컨대 반사를 용이하게 할 수 있는 박막들, 유전체 코팅들, 금속화된 코팅들 등을 이용할 수 있음에 주목한다. 광은 평면 광 도파관(172)의 길이(178)를 따라 전파되고, 길이(178)를 따라 다양한 포지션들에서 DOE(들)(174)와 교차한다. DOE(들)(174)는 평면 광 도파관(172) 내에 통합되거나 또는 평면 광 도파관(172)의 면들(180) 중 하나 이상에 근접하거나 또는 인접하게 통합될 수 있다. DOE(들)(174)는 적어도 2개의 기능들을 달성한다. DOE(들)(174)는 광의 각도를 시프트하여, 광의 일부가 TIR을 빠져나가도록 하며, 평면 광 도파관(172)의 면(180)을 통해 내부(185a)로부터 외부(185b)로 나오게 한다. DOE(들)(174)는 뷰잉 거리에서 아웃-커플링된 광을 포커싱한다. 따라서, 평면 광 도파관들(172)의 면(180)을 통해 보는 누군가는 하나 이상의 뷰잉 거리들에서 디지털 이미저리를 볼 수 있다.
[00197] 2개의 상이한 각도들 중 하나의 각도에서 도파관(172)으로 들어가는 시준된 광 빔(250)은 2개의 TIR 광학 경로들(182a, 182b) 중 하나를 따르며, 이에 따라 광 빔렛들(256)이 외부 광학 경로들(185a, 185b)의 2개의 세트 중 하나를 따라 평면 광 도파관(172)을 빠져나가게 할 것이다. 즉, TIR 광학 경로(182a)에 의해 표현된 각도로 도파관(172)으로 들어가는 시준된 광 빔(250a)은 광 빔렛들(256a)이 외부 광학 경로들(185a)의 세트를 따라 평면 광 도파관(172)을 빠져나가게 하며, TIR 광학 경로(182b)에 의해 표현된 각도로 도파관(172)에 들어가는 시준 된 광빔(250b)은 광 빔렛들(256b)이 외부 광학 경로들(185b)의 세트를 따라 평면 광 도파관(172)을 빠져나가게 할 것이다.
[00198] 디스플레이 서브시스템(104)이 하나 이상의 가상 오브젝트들의 이미지를 사용자에게 제공하는 픽셀 정보의 일련의 합성 이미지 프레임들을 생성하는 것은 전술한 것으로부터 인지될 수 있다. 디스플레이 서브시스템들을 설명하는 추가 세부사항들은 "Display Subsystem and Method"라는 명칭을 갖는 미국 특허 출원 일련번호 제14/212,961호 및 "Planar optical waveguide Apparatus With Diffraction Element(s) and Subsystem Employing Same"라는 명칭을 갖는 미국 특허 출원 일련번호 제14/696,347호에 제공되며, 이 출원들은 인용에 의해 본원에 명백하게 포함된다.
[00199] 앞서 설명된 바와 같이, 도 4는 단일 깊이 평면의 이미지들을 투사하기 위한 기본 광학 시스템(400)을 묘사한다. 도 7은 광원(420), 3개의 LOE들(490) 및 3개의 개개의 인-커플링 격자들(492)을 포함하는 다른 광학 시스템(400')을 묘사한다. 광학 시스템(400')은 또한 (개개의 LOE들로 광을 지향시키기 위해) 3개의 빔-분할기들 또는 이색성 미러들(462)을 포함하며, (LOE들이 조명될 때를 제어하기 위해) 3개의 LC 셔터들(464)을 포함한다. 시스템(400')이 사용중일 때, 광원(420)으로부터의 광 빔은 3개의 빔-분할기들(462)에 의해 3개의 서브-빔들/빔렛들로 분할된다. 3개의 빔-분할기들은 또한 빔렛들을 개개의 인-커플링 격자들(492)을 향해 재지향시킨다. 빔렛들이 개개의 인-커플링 격자들(492)을 통해 LOE들(490)로 들어간 후에, 이들은 실질적 TIR에 의해 LOE들(490)을 따라 전파되며, 여기서 이들은 추가적인 광학 구조들과 상호작용하여 사용자의 눈에 디스플레이된다. 광학 경로의 먼쪽에 있는 인-커플링 격자들(492)의 표면은 광이 인-커플링 격자들(492)을 통해 다음 LOE(490)로 통과하는 것을 방지하기 위해 불투명한 재료(예컨대, 알루미늄)로 코팅될 수 있다. 일부 실시예들에서, 빔-분할기들(462)은 파장 필터들과 조합되어, 적색, 녹색 및 청색 빔렛들을 생성할 수 있다. 이러한 실시예에서, 단일 깊이 평면에서 컬러 이미지를 디스플레이하기 위해, 3개의 LOE들(490)이 요구된다. 다른 실시예에서, LOE들(490)은 각각 사용자의 시야 내에서 측방으로 각지게 변위되고 유사한 컬러들 또는 상이한 컬러들을 갖는 더 큰 단일 깊이-평면 이미지 영역의 일부("타일형 시야(tiled field of view)")를 제공할 수 있다.
[00200] 도 8은 6개의 빔-분할기들(462), 6개의 LC 셔터들(464) 및 6개의 LOE들(490)을 갖는 또 다른 광학 시스템(400")을 묘사하며, 6개의 LOE들(490)은 개개의 ICG(492)를 갖는다. 도 7의 논의 동안 앞서 설명된 바와 같이, 단일 깊이 평면의 컬러 이미지를 디스플레이하기 위해 3개의 LOE들(490)이 요구된다. 따라서,이러한 시스템(400")의 6개의 LOE들(490)은 2개의 깊이 평면의 컬러 이미지들을 디스플레이할 수 있다.
[00201] 도 10은 ICG(492), 직교 동공 확장자(494)( "OPE") 및 출사 동공 확장자(496)( "EPE")를 갖는 LOE(490)를 묘사한다.
[00202] 도 4-9에 도시된 바와 같이, 깊이 평면들, 필드 타일들 또는 생성된 컬러들의 수가 증가함에 따라 (예컨대, MR 시나리오 품질이 증가함에 따라), LOE들(490) 및 ICG들(492)의 수가 증가한다. 예컨대, 단일 RGB 컬러 깊이 평면은 3개의 ICG들(492)을 갖는 적어도 3개의 LOE들(490)을 요구한다. 결과적으로, 임의의 이미지 결함들(예컨대, 제한된 빔 직경으로 인한 블러링(blurring))이 또한 MR 시나리오 품질을 손상시키는 추가적인 기회들과 곱해질 수 있다. 따라서, 용인가능한 MR 시나리오를 생성하는 데 요구되는 증가한 수의 광학 엘리먼트들은 이미지 품질 문제들을 악화시킨다.
[00203] 앞서 논의된 LOE들(490)은 광원(420)의 개구수(numerical aperture)를 증가시키기 위해 출사 동공 확장자들(496)("EPE")로서 추가적으로 기능을 할 수 있으며, 이로써 시스템(400)의 해상도를 증가시킬 수 있다. 광원(420)이 작은 직경/스폿 사이즈의 광을 생성하기 때문에, EPE(496)는 LOE(490)로부터 출사되는 광의 동공의 자명한 사이즈를 확장하여 시스템 해상도를 증가시킨다. MR 시스템(400)의 다른 실시예들에서, 시스템은 X 방향 및 Y 방향 둘 모두로 광을 확장시키기 위해 EPE(496)에 부가하여 직교 동공 확장자(494)("OPE")를 더 포함할 수 있다. EPE들(496) 및 OPE들(494)에 관한 추가 세부사항들은 앞서 참조된 미국 특허 출원 일련번호 제14/555,585호 및 미국 특허 출원 일련번호 제14/726,424호에 설명되어 있으며, 이들 출원들의 내용들은 인용에 의해 이전에 포함되었다.
[00204] 도 10은 ICG(492), OPE(494) 및 EPE(496)을 갖는 LOE(490)를 묘사한다. 도 10은 사용자의 눈들로부터의 뷰와 유사한 평면도로부터의 LOE(490)를 묘사한다. ICG(492), OPE(494) 및 EPE(496)는 볼류메트릭 또는 표면 양각을 포함하는 임의의 타입의 DOE일 수 있다.
[00205] ICG(492)는 TIR에 의한 전파를 위해 광원(420)으로부터의 광을 수용하도록 구성된 DOE(예컨대, 선형 격자)이다. 도 10에 묘사된 실시예에서, 광원(420)은 LOE(490)의 측면에 배치된다.
[00206] OPE(494)는 시스템(400)을 통해 전파되는 광 빔이 90도 만큼 측방으로 편향되도록 측방 평면(즉, 광 경로에 수직)에 경사지는 DOE(예컨대, 선형 격자)이다. OPE(494)는 또한 광 경로를 따라 부분적으로 투명하고 부분적으로 반사성이어서, 광 빔은 부분적으로 OPE(494)를 통과하여 다수의 (예컨대, 11개의) 빔렛들을 형성한다. 일부 실시예들에서, 광 경로는 X 축을 따르고, OPE(494)는 빔렛들을 Y축으로 구부리도록 구성된다.
[00207] EPE(496)는 시스템(400)을 통해 전파되는 빔렛들이 90도 만큼 축방향으로 편향되도록 축방향 평면(즉, 광 경로 또는 Y 방향에 평행)으로 경사지는 DOE(예컨대, 선형 격자)이다. EPE(496)는 또한 광 경로(Y 축)를 따라 부분적으로 투명하고 부분적으로 반사성이어서, 빔렛들은 EPE(496)를 부분적으로 통과하여 다수 (예컨대, 7개의) 빔렛들을 형성한다. EPE(496)는 또한 전파하는 빔렛의 부분들을 사용자의 눈을 향해 지향시키기 위해 Z 방향으로 경사진다.
[00208] OPE(494) 및 EPE(496) 둘 모두는 또한 Z축을 따라 적어도 부분적으로 투명하여, 실세계 광(예컨대 실세계 오브젝트들에서 반사함)이 Z 방향에서 OPE(494) 및 EPE(496)를 통과하여 사용자의 눈들에 도달하게 허용한다. 일부 실시예들에서, ICG(492)는 또한 실세계 광을 수용하기 위해 Z축을 따라 적어도 부분적으로 투명하다.
[00209] 도 11a는 눈(600)으로 들어가고 렌즈(602)에 의해 망막(604)상의 작은 스폿(612)에 포커싱되는 제1 광 빔(610)을 도시한다. 바람직하게, 작은 스폿(612)은 대략 망막(604)상의 광수용체(photoreceptor)의 사이즈이다. 제1 광 빔(610)에 대응하는 제1 이미지 또는 이미지의 제1 부분은 도 11b의 그래프에서 제1 광 빔(610)에 대응하는 에너지 분배 곡선(614)에 의해 도시된 바와 같이 초점이 맞춰져 있다. 도 11a는 또한 눈(600)으로 들어가고 렌즈(602)에 의해 망막(604)상의 더 큰 스폿(622)에 포커싱되는 제2 광 빔(620)을 묘사한다. (더 큰 스폿(622)을 갖는) 제2 광 빔(620)에 대응하는 제2 이미지 또는 이미지의 제2 부분은 도 11b의 그래프에서 제2 광 빔(620)에 대응하는 에너지 분배 곡선(624)에 의해 도시된 바와 같이 초점이 덜 맞추어져 있다(예컨대, 초점에서 벗어나 있다). 도 11b는 렌즈에 의해 망막에 포커싱되는 2개의 실세계 광 빔들의 에너지 분배 패턴들을 묘사한다.
[00210] 도 12a는 제2 광 빔(720)이 망막(704)상의 작은 스폿(722)에 포커싱되도록 수용되는 렌즈(702)를 갖는 눈(700)을 도시한다. 결과적으로, 제2 광 빔(710)에 대응하는 제2 이미지 또는 이미지의 제2 부분은 도 12b의 그래프에서 제2 광 빔(720)에 대응하는 에너지 분배 곡선(724)에 의해 도시된 바와 같이 초점이 맞춰져 있다. 그러나, 도 12a에서, 제1 광 빔(710)은 망막(704)상의 더 큰 스폿(712)에 포커싱되어, 망막(704)상의 더 큰 스폿(712)을 산출한다. (더 큰 스폿(712)을 갖는) 제1 광 빔(710)에 대응하는 제1 이미지 또는 이미지의 제1 부분은 도 12b의 그래프에서 제1 광 빔(710)에 대응하는 에너지 분배 곡선(714)에 의해 도시된 바와 같이 초점이 덜 맞추어져 있다(예컨대, 초점에서 벗어나 있다). 도 12b는 렌즈에 의해 망막에 포커싱되는 2개의 실세계 광 빔들의 에너지 분배 패턴들을 묘사한다.
[00211] 망막상의 빔 스폿의 사이즈는 다음과 같이 이미지의 해상도에 영향을 미친다. 눈의 기능은 (예컨대, 방출 또는 반사되는) 복수의 점광원들로 구성된 "3-D" 장면과 관련된 광 정보를 수집하는 것이다. 예컨대, 나무는 태양으로부터의 광을 반사하는 수백만 개의 점광원들을 포함할 수 있다. 눈(예컨대, 눈내의 렌즈)은 광 빔들을 망막의 스폿으로 구부린다. 이상적으로, 망막상의 빔 스폿은 광수용체의 사이즈이다. 오브젝트상에 잘 포커싱되는 눈은 그 오브젝트로부터의 광 빔들을 망막상의 가능한 작은 스폿상에 포커싱할 것이다. 눈이 오브젝트에 대해 초점에서 벗어날 때, 광 빔들은 망막의 앞이나 뒤에서 초점이 맞춰질 것이고, 스폿은 점 대신에 원과 유사하다. 더 넓은 원형 스폿은 망막상의 몇몇의 광수용체들상에 부딪치며, 결과적으로 뷰어의 광학 피질에 의해 해석되는 이미지가 흐려질 수 있다. 추가로, (예컨대, 2-3 mm 직경 빔들로부터의) 더 작은 빔 스폿들은 렌즈 원근조절에 의해 스폿 사이즈(즉, 블러 또는 포커스)를 더 신속하게 변경시킬 것이다. 다른 한편으로, (예컨대, 0.5 mm 직경 빔으로부터의) 더 큰 빔 스폿들은 렌즈 원근조절에 의해 스폿 사이즈(즉, 블러 또는 포커스)를 변경하지 않을 것이다.
[00212] 도 13a는 제1 및 제2 광 빔들(810, 820)이 망막(804)상의 개개의 더 큰 스폿들(812, 822)에 포커싱되도록 원근조절되는 렌즈(802)를 갖는 눈(800)을 도시한다. 결과적으로, 제1 및 제2 광 빔들(810, 820)에 대응하는 제1 및 제2 이미지들 또는 하나 이상의 이미지들의 제1 및 제2 부분들은 도 13b의 그래프에서 제1 및 제2 광 빔들(810, 820)에 대응하는 에너지 분배 곡선들(814, 824)에 의해 도시된 바와 같이 초점이 맞추어진 이미지와 비교하여 초점이 덜 맞추어져 있다(예컨대, 초점에서 벗어나 있다). 도 13b는 렌즈에 의해 망막에 포커싱되는 2개의 실세계 광 빔들의 에너지 분배 패턴들을 묘사한다. 도 11a 내지 도 13b에 도시된 바와 같이, 단일 렌즈 눈의 해부학은 상이한 입사각들을 갖는 2개의 광 빔들을 동시에 포커싱하는 것을 어렵게 한다. 한 빔이 초점이 맞추어질 때, 다른 빔은 초점에서 벗어날 것이다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 2개의 광 빔들의 중간 포커스로 렌즈를 원근 조절하는 것을 시도하면, 2개의 초점에서 벗어난 이미지들 또는 하나 이상의 이미지들의 부분들이 야기될 수 있다. 해부학적 제한들의 결과로서, 단일 렌즈 눈들이 광 빔 또는 FOV(field of view)의 일부에 초점을 맞출 때, 다른 광 빔들 또는 FOV의 일부는 초점에서 벗어날 것이다.
[00213] 이 이미지 포커스 제한을 합성하는 것은 다양한 다른 광학, 해부학적 그리고 기술적 제한들이다. 이미지 해상도는 빔 직경 및 빔 각도("광학 불변자(optical invariant)")의 함수인데, 이는 (예컨대, 레이저 스캐너 산업에서와 같이) 분해 가능한 스폿들의 수와 관련이 있다. 광학 불변자는 픽셀들로 수집된 개구수와 픽셀들의 수를 곱한 것과 관련된다. 광 빔 직경들이 클수록 더 높은 이미지 해상도들을 산출한다. 더 작은 광 빔 직경들은 FOV를 최대화하기 위해 증가하는 광 빔 각도들을 보존하는 능력을 산출한다. 빔 직경이 이미지 해상도와 광 빔 각도 둘 모두에 영향을 미쳐, 이미지 품질과 FOV 사이즈 간의 절충을 야기하기 때문에, 이러한 광학 제한들은 빔 직경 최적화를 어렵게 렌더링한다.
[00214] 도 14a 내지 14b는 광 빔 직경과 이미지 해상도 간의 관계를 논증한다. 도 14a에 도시된 바와 같이, (예컨대, 눈(900)의 전체 동공 또는 약 2-3mm를 채우기에 충분한) 최대로 사이즈가 정해진 빔 직경(916)을 갖는 광 빔(910)은 정해진 눈(900)에 대해 가장 작은 스폿 사이즈(912)를 생성한다. 작은 스폿 사이즈(912)는 도 14b의 에너지 분배 곡선(914)에 도시된 바와 같이 대응하는 정초점 이미지 또는 그 부분을 산출한다. 도 14b는 렌즈에 의해 망막 상으로 포커싱된 실세계 광 빔의 에너지 분배 패턴들을 묘사한다. 광 빔(910)의 더 큰 직경은 렌즈(902)의 형상을 변경함으로써 눈(900)이 광 빔(900)을 포커싱하게 허용한다. 최대로 사이즈가 정해진 광 빔들을 포커싱하는 능력은 증가된 이미지 해상도를 산출한다. 그러나 더 작은 빔 직경(1016)(예컨대, 약 0.5mm)을 갖는 광 빔(1010)은 도 15a에 도시된 바와 같이 더 큰 스폿 사이즈(1012)를 생성한다. 더 큰 스폿 사이즈(1012)는 도 15b의 에너지 분배 곡선(1014)에 도시된 바와 같이 대응하는 탈초점 이미지 또는 그 부분들을 산출한다. 도 15b는 렌즈에 의해 망막 상으로 포커싱된 실세계 광 빔의 에너지 분배 패턴들을 묘사한다.
[00215] 추가로, 만약 광 빔 직경이 약 0.5mm라면, 일부 눈들에 대한 개방 루프 원근조절이 이루어져, 결과적으로 모든 것이 동일한 열등한 포커스 레벨로 나타날 것이다. 도 15a 및 15b에 도시된 바와 같이 망막 공간이 너무 작아서 그 위에 디스플레이된 더 큰 스폿들을 해결할 수 없기 때문에, 핀-홀 카메라들에서와 같이, 전체 FOV가 동일하게 그리고 열등하게 포커싱될 것이다. 게다가, 광 빔 직경이 약 0.5mm라면, 동공이 완전히 개방되어, 포인트 광원들 주위에 광학 수차들, 이를테면 헤일로들(halos)을 야기할 수 있다.
[00216] 앞서 설명된 바와 같이, 다양한 다른 광학, 해부학적 그리고 기술적 제한들은 머리-착용 디스플레이들의 성능 제한들을 야기한다. 예컨대, 더 큰 직경들(예컨대, 약 2-3mm)을 갖는 광 빔들과 비교하여 더 작은 직경들(예컨대, 약 0.5mm)을 갖는 광 빔들은 더 낮은 이미지 해상도 및 광학 수차들을 야기할 것이다. 다른 한편으로는, 더 작은 직경들(예컨대, 약 0.5mm)을 갖는 광 빔들과 비교하여 더 큰 직경들(예컨대, 약 2-3mm)을 갖는 광 빔들은 더 좁은 FOV들을 야기할 것이다. FOV와 이미지 해상도를 밸런싱하는 것은 차선의 이미지 해상도 및 FOV들을 산출한다.
[00217] 다음의 개시내용은 복수의(예컨대, 어레이) 더 작은 직경 광 빔들을 사용하여 더 큰 직경 광 빔을 시뮬레이팅하기 위한 시스템들 및 방법들의 다양한 실시예들을 설명한다. 이러한 빔 증배기 시스템들 및 방법들은 도 16a에 도시된 바와 같이 동공을 통과하여 망막(1104)에 부딪치는 상호관련되어, 상호작용하는 복제된 빔렛들(1116)의 번들들을 생성한다. 빔 어레이, 상대 간격 및 빔 직경의 조합은 망막(1104)에서 컴팩트한 에너지 이미지들을 생성할 수 있다(도 16b 참조). 도 16b는 광 빔들의 서로의 광학 상호작용들을 포함하여 렌즈(1102)에 의해 망막(1104) 상으로 포커싱된 실세계 광 빔들의 어레이의 에너지 분배 패턴들을 묘사한다. 빔 어레이들의 간섭 및 다른 광학 특성들(예컨대, 가간섭성, 위상 균일성 등)을 통해 (일정한 전력의) 사이드-로브(side-lobe)들의 에너지를 제거함으로써, 도 16b의 그래프에서 빔렛들(1116)에 대응하는 에너지 분배 곡선(1114)으로 도시된 바와 같이 그래프의 중간에 광 에너지(예컨대, 방사조도, 피크 세기 등)가 집중된다. 이 포커싱된 광 에너지는 결국, 더 높은 이미지 해상도로 보다 포커싱된 이미지를 생성한다. 예컨대, 빔렛들(1116)에 걸친 가간섭성 및 위상 균일성은 비교적 높은 피크 값들 및 감쇠된 사이드-로브들을 갖는 에너지 분배들에 대응할 수 있고, 따라서 비교적 포커싱되고 외관이 선명한 이미지들을 산출하는 역할을 할 수 있다. 사실상, 복제된 더 작은 직경의 빔렛들(1116)의 어레이는 더 큰 직경 빔(910)에 의해 생성된 급격한 점 확산 함수(point spread function)(914)를 근사화하는 급격한 점 확산 함수(1114)로 망막(1104) 상에 더 작은 스폿(1112)을 생성한다(도 14a 및 14b 참조). 더 작은 직경 빔렛들(1116)의 어레이는 시스템이 (회절 및/또는 디바이스 사이즈 제한들로부터 기인하는) 빔 직경 제한을 극복하게 허용한다. 동시에, 시스템의 더 작은 직경 광 빔들의 사용은 더 넓은 FOV를 산출한다.
[00218] (각각 더 작은 직경을 가진) 복수/어레이의 빔렛들은 훨씬 더 큰 직경의 광 빔으로부터의 광 에너지를 시뮬레이팅하여, 더 작은 빔 직경에 기반하여 더 넓은 FOV를 유지하면서 이미지 해상도를 증가시킨다.
[00219] 도 17a는 단일 인입 광 빔(1210)으로부터 빔렛들(1216)의 어레이를 생성하는 LOE(490)를 개략적으로 묘사한다(아래 설명되는 빔 증배기들 참조). 빔렛들(1216) 중 일부는 홍채(1208)에 의해 형성된 동공(1206)을 통과하여 렌즈(1202)에 의해 포커싱된다. 도 17a는 복수의 빔렛들(1216)을 묘사하지만, 도 17a는 일부 실시예들에 따른 빔렛들의 2 차원 어레이를 예시하지 않는다. 도 17b는 홍채(1208)에 의해 형성된 동공(1206)을 통과하는 빔렛 어레이로부터의 선택 빔렛들(1206)을 개략적으로 묘사한다.
[00220] 빔렛 스폿들의 간격은 또한 이미지 품질에 영향을 미칠 수 있다. 도 18a에 도시된 바와 같이, 망막 상의 빔렛 스폿들(1316)은 오버랩핑하고 있을 수 있으며, 각각의 빔렛 스폿(1316)은 하나보다 많은 광수용체를 커버한다. 코히어런트하고 동-위상일 때, 도 18a에 묘사된 빔렛 스폿들(1316)의 분배 패턴은 초점에 맞게 그리고 선명하게 나타나는 이미지들을 산출할 수 있다. 그러나 각각의 빔렛 스폿(1316)이 하나보다 많은 광수용체에 부딪칠 때, 또는 단일 광수용체에 부딪치는 다수의 빔렛 스폿들의 위상 디스패리티(phase disparity)가 있을 때, 결과적인 이미지들은 외관이 선명하지 않을 수 있다. 도 18b 및 18c는 각각의 빔렛 스폿(1316)이 대략 하나의 광수용체를 커버할 수 있는 망막 상의 다른 빔렛 스폿(1316) 분배 패턴들을 묘사한다. 일반적으로, 이러한 분배 패턴들은 도 18a보다 가간섭성 및 위상 균일성에 의해 덜 영향을 받을 수 있기 때문에, 이들은 정초점으로 그리고 선명하게 나타나는 이미지들을 산출할 수 있다. 그에 따라서, 빔 어레이 아키텍처, 상대 빔/빔렛 간격 및 빔/빔렛 직경은 망막에서 이미지들의 해상도/선명도에 영향을 미칠 수 있는 팩터들이다.
[00221] 도 19는 도광 광학 엘리먼트, 이를테면 LOE(490)의 OPE(494) 및/또는 EPE(496)일 수 있는 빔 증배기(1430)(즉, 얇은 빔 증배기)를 묘사한다(도 67 참조). 입력 빔(1410)은 (예컨대, ICG 또는 다른 진입부를 통해) 빔 증배기(1430)에 들어가고 실질적으로 TIR에 의해 빔 증배기(1430) 아래로 진행한다. 입력 빔들(1410)이 빔 증배기(1430) 아래로 진행할 때, 입력 빔들(1410)이 아웃-커플링 격자("OCG")(1498)와 상호작용할 때마다, 입력 빔들(1410)의 일부는 OCG(1498)를 통해 빔 증배기(1430)를 출사한다. OCG(1498)는 광 빔의 일부가 빔 증배기(1430)를 출사하게 허용하는 한편, 광 빔의 다른 부분은 실질적으로 TIR을 통해 빔 증배기(1430)를 따라 전파되도록 구성된다. OCG(1498)는 볼류메트릭 또는 표면 양각을 포함하는 임의의 타입의 회절 광학 엘리먼트일 수 있다. 빔 증배기(1430)는 단일 입력 빔(1410)을 3개의 출력 빔렛들(1416)로 복제하며, 이러한 출력 빔렛들 각각은 입력 빔(1410)과 동일한 픽셀 정보를 인코딩한다.
[00222] 빔 증배기(1430)는 도 19에서 측면도 내부에 묘사되지만, 빔 증배기(1430)는 도 67에 도시된 OPE(494) 및/또는 EPE(496)와 같은 길이 및 폭을 가질 수 있다. 추가로, 입력 빔들(1410)은 일반적으로 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 전파되는 것으로 묘사되지만, 빔 증배기(1430)는 빔렛들(1416)의 어레이를 생성하는 지그재그 패턴들을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 다양한 패턴들로 광 빔들을 지향시키도록 구성될 수 있다(예컨대, 도 18b 참조).
[00223] 도 20에 도시된 바와 같이, 빔 증배기(1530)로부터 출사하는 빔렛들(1516) 중 단지 일부(즉, 하나)만이 홍채(1508)에 의해 정의된 동공(1506)을 통과하여 렌즈(1502)에 의해 포커싱된다. 따라서 빔 증배에 의해서도, 빔렛들(1516)의 간격은 사용자에 의해 지각된 빔들의 실제 수에 영향을 미칠 수 있다. 도 20은 또한 빔 증배기(1530)의 길이당 입력 빔들(1510)의 바운스들의 수가 정해진 길이의 빔 증배기(1530)로부터 출사하는 빔렛들(1516)의 수를 결정하는 것을 도시한다.
[00224] 도 21은 일부 실시예들에 따른 더 얇은 빔 증배기(1630')를 묘사한다. 더 두꺼운 빔 증배기(1630)가 또한 비교를 위해 묘사된다. 대략 동일한 길이에 걸쳐, (2개의 증배기들 간에 입사각이 보존되는) 각각의 입력 광 빔(1610)은 더 두꺼운 빔 증배기(1630)에 비해 더 얇은 빔 증배기(1630')에서 더 여러 번 바운싱한다. 입력 광 빔(1610)이 더 얇은 빔 증배기(1630')의 각각의 표면과 만나기 전에 횡단할 거리가 더 짧기 때문에, 빔(1610)은 더 높은 공간 주파수를 앞뒤로 바운싱한다. 그에 따라서, 더 두꺼운 빔 증배기(1630)에 비해 더 얇은 빔 증배기(1630')로부터 더 높은 밀도의 빔렛들이 나온다. 예컨대, 각각의 입력 광 빔(1610)은 더 얇은 빔 증배기(1630')에서 13회 바운싱하는 한편, 유사한 입력 광 빔(1610)은 더 두꺼운 빔 증배기(1630)에서 단지 3회만 바운싱한다. 더 얇은 빔 증배기(1630')는 더 두꺼운 빔 증배기(1630)와 비교하여 빔 증배기의 길이당 빔 더 많은 빔 증배(즉, 클로닝(cloning))를 제공한다. 추가로, 클로닝 효율성의 이러한 선형 증가가 2개의 디멘션들(예컨대, 길이 및 폭)에 곱해질 때, 감소된 빔 증배기 두께로부터의 클로닝 효율성의 증가는 지수적(exponential)이다. (대칭성이 선호되지만) 2개의 디멘션들에서 곱해진 빔렛들 간의 개개의 간격이 반드시 동일한 것은 아니다. 게다가, 더 얇은 빔 증배기(1630')는 코히어런트 상호작용들을 통해 증가된 빔 오버랩 동안에도 감소할 수 있다.
[00225] 도 19-21에 묘사된 빔 증배기들은 실질적으로 TIR을 가능하게 하도록 실질적으로 반대 방향들로 광을 반사하는 2개의 대향 반사성 표면들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 빔 증배기들은 2개 초과의 반사성 표면들을 포함한다. 예컨대, 도 22a에 묘사된 다중-표면 빔 증배기(1730)는 제1 및 제2 도광 광학 서브-엘리먼트("LOS")(1730A, 1730B)를 포함한다. 제1 LOS(1730A)는 2개의(즉, 제1 및 제2) 대향 반사성 표면들(1732, 1734)을 갖는다는 점에서 도 20에 묘사된 빔 증배기(1530)와 유사하다. 도 22a에 묘사된 제2 LOS(1730B)는 제1 LOS(1730A)에서 제2 반사성 표면(1734)과 실질적으로 동일한 방향으로 광을 반사하는 제3 반사성 표면(1736)을 갖는다.
[00226] 제2 LOS(1730B)는 인입 광 빔(1710)이 적어도 부분적으로 제1 LOS(1730A)를 통과하여 제2 LOS(1730B)에 들어가도록 제1 LOS(1730A) 위에 배치된다. 인입 광 빔(1710)이 제1 LOS(1730A)를 통과할 때, 그 부분이 제2 반사성 표면(1734)에 의해 부분적으로 반사된다. 제2 LOS(1730B)를 통과하는 인입 광 빔(1710)의 일부는 제2 반사성 표면(1734)에 의해 반사되는 인입 광 빔(1710)의 일부와 실질적으로 동일한 방향으로 제3 반사성 표면(1736)에 의해 반사된다. 제2 LOS(1730B) 및 그 제3 반사성 표면(1736)의 추가의 결과는 실질적으로 TIR에 의해 제1 및 제2 LOS들(1730A, 1730B)을 따라 전파하는 빔렛들(1716)의 수의 증배이다.
[00227] 도 22a에 묘사된 제2 LOS(1730B)의 두께는 제3 반사성 표면(1736)으로부터 반사되는 빔렛들(1716) 중 일부가 제2 반사성 표면(1734)으로부터 반사되는 빔렛들(1716)과 실질적으로 오버랩하는 것이다. 빔렛들(1716) 중 일부가 서로 위상이 맞지 않는 상황들의 경우, 이러한 오버랩은 위상-미스매칭된 빔렛들 간의 상쇄 간섭의 효과들을 증폭시키는 역할을 할 수 있다. 게다가, 높은 레벨들의 오버랩은 빔렛들(1716)의 수의 증배 정도를 최소화하는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 제2 및 제3 반사성 표면들(1734, 1736)로부터의 첫 번째 바운싱은 1 내지 2의 빔들(1710)/빔렛들(1716)의 수를 곱하지만, 두 번째 바운싱은 단지 2 내지 3의 빔렛들(1716)의 수를 곱할 뿐이다. 빔렛들(1716) 중 적어도 일부가 오버랩하는 정도는 입력 빔(1710) 직경 및/또는 입력 빔(1710) 분리를 조정함으로써 제어될 수 있는데, 이 둘 모두는 실질적으로 TIR 동안 실질적으로 보존된다. 예컨대, 다수의 빔렛들(1716) 중에서 2개의 인접한 빔렛들의 에지들 간의 거리는 입력 빔(1710)의 직경을 감소시킴으로써 증가될 수 있다.
[00228] 도 22b에 묘사된 빔 증배기(1730)는 도 22a에 묘사된 빔 증배기(1730)와 같은 제1 및 제2 LO들(1730A, 1730B)을 포함한다. 그러나 제2 LOS(1730B)의 두께는 제3 반사성 표면(1736)으로부터 반사되는 빔렛들(1716)이 제2 반사성 표면(1734)으로부터 반사된 빔렛들(1716)과 오버랩하지 않도록 튜닝/선택되었다. 결과적으로, 도 22b에 묘사된 빔 증배기(1730)는 도 22a에 묘사된 빔 증배기(1730)보다 더 높은 정도의 빔렛 증배를 갖는다. 예컨대, 제2 및 제4 반사성 표면들(1734, 1736)로부터의 첫 번째 바운싱은 1 내지 2의 빔들(1710)/빔렛들(1716)의 수를 곱하지만, 두 번째 바운싱은 2 내지 3의 빔렛들(1716)의 수를 곱한다. 이 패턴으로 계속하면, 제2 및 제3 반사성 표면들(1734, 1736)로부터의 각각의 바운스는 실질적으로 지수적 성장으로 빔렛들(1716)의 수를 2배로 만든다.
[00229] 도 23에 묘사된 빔 증배기(1830)는 도 22a에 묘사된 빔 증배기(1730)와 같은 제1 및 제2 LO들(1830A, 1830B)을 포함한다. 빔 증배기들(1730, 1830) 간의 차이는 도 23에 묘사된 제2 LOS(1830B)가 제3 반사성 표면(1836) 외에도 제4 반사성 표면(1838)을 갖는다는 점이다. 제3 및 제4 반사성 표면들(1836, 1838)은 제2 LOS(1830B)의 대향 면들 상에 배치되며 실질적으로 반대 방향들로 광을 반사한다.
[00230] 제2 LOS(1830B)는 인입 광 빔(1810)이 적어도 부분적으로 제1 LOS(1830A)를 통과하여 제2 LOS(1830B)에 들어가도록 제1 LOS(1830A) 위에 배치된다. 인입 광 빔(1810)이 제1 LOS(1830A)를 통과할 때, 그 부분이 제2 반사성 표면(1834)에 의해 부분적으로 반사된다. 제2 LOS(1830B)를 통과하는 인입 광 빔(1810)의 일부는 제2 반사성 표면(1834)에 의해 반사되는 인입 광 빔(1810)의 일부와 실질적으로 동일한 방향으로 제3 반사성 표면(1836)에 의해 반사된다. 반사된 빔렛(1816)이 제2 LOS(1830B)를 빠져나가기 전에, 반사된 빔렛(1816)의 일부가 제4 반사성 표면(1838)에 의해 제3 반사성 표면(1836)을 향해 다시 반사된다. 제2 LOS(1830B)에서 제4 반사성 표면들(1838)의 추가의 결과는 도 22a에 묘사된 빔 증배기(1730)와 비교하여 제1 및 제2 LOS들(1830A, 1830B)을 따라 전파하는 빔렛들(1816)의 수와 실질적으로 TIR의 추가적인 증배이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 제4 반사성 표면(1838)의 추가는 각각의 광 빔(1810)/빔렛(1816)에 대한 추가적인 바운스를 야기하며, 이로써 제1 및 제2 LOS들(1830A, 1830B)(즉, 광 증배기(1830))과의 각각의 상호작용에서 생성된 빔렛들의 수를 증배한다.
[00231] 도 24에 묘사된 빔 증배기(1930)는 도 23에 묘사된 빔 증배기(1830)와 같은 제1 및 제2 LO들(1930A, 1930B)을 포함한다. 빔 증배기들(1830, 1930) 간의 차이는 도 24에 묘사된 빔 증배기(1930)가 제3 LOS(1930C)를 포함한다는 점이다. 제2 LOS(1930B)와 같이, 제3 LOS(1930C)는 실질적으로 반대 방향들로 광을 반사하는 a b의 대향 반사성 표면들(즉, 제5 및 제6 반사성 표면들(1940, 1942))을 포함한다. 제5 및 제6 반사성 표면들(1940, 1942)은 제3 LOS(1930C)의 대향 면들 상에 배치된다.
[00232] 제3 LOS(1930C)는 인입 광 빔(1910)이 적어도 부분적으로 제1 및 제2 LOS들(1930A, 1930B)을 통과하여 제3 LOS(1930C)에 들어가도록 제2 LOS(1930B)(그리고 따라서 제1 LOS(1930A)) 위에 배치된다. 인입 광 빔(1910)이 제1 LOS(1930A)를 통과할 때, 그 부분이 제2 반사성 표면(1934)에 의해 부분적으로 반사된다. 유사하게, 인입 광 빔(1910)이 제2 LOS(1930B)를 통과할 때, 그 부분이 제3 반사성 표면(1936)에 의해 부분적으로 반사된다. 제2 LOS(1930B)를 통과하는 인입 광 빔(1910)의 일부는 제2 반사성 표면(1934)에 의해 반사되는 인입 광 빔(1910)의 일부와 실질적으로 동일한 방향으로 제3 반사성 표면(1936)에 의해 반사된다. 유사하게, 제3 LOS(1930C )를 통과하는 인입 광 빔(1910)의 일부는 제2 및 제3 반사성 표면(1934, 1936)에 의해 각각 반사되는 인입 광 빔(1910)의 일부들과 실질적으로 동일한 방향으로 제5 반사성 표면(1940)에 의해 반사된다.
[00233] 반사된 빔렛(1916)이 제2 LOS(1930B)를 빠져나가기 전에, 반사된 빔렛(1916)의 일부가 제4 반사성 표면(1938)에 의해 제3 반사성 표면(1936)을 향해 다시 반사된다. 유사하게, 반사된 빔렛(1916)이 제3 LOS(1930C)를 빠져나가기 전에, 반사된 빔렛(1916)의 일부가 제6 반사성 표면(1942)에 의해 제5 반사성 표면(1940)을 향해 다시 반사된다. 제3 LOS(1930C) 및 그 제5 및 제6 반사성 표면들(1940, 1942)의 추가의 결과는 실질적으로 TIR에 의해 제1, 제2 및 제3 LOS들(1930A, 1930B, 1930C)을 따라 전파하는 빔렛들(1916)의 수의 추가 증배이다. 도 24에 도시된 바와 같이, 제3 LOS(1930C)의 추가는 각각의 광 빔(1910)/빔렛(1916)에 대한 추가적인 쌍의 바운스들을 야기하며, 이로써 제1, 제2 및 제3 LOS들(1930A, 1930B, 1930C)(즉, 광 증배기(1930))과의 각각의 상호작용에서 생성된 빔렛들의 수를 증배한다.
[00234] 다중-표면 빔 증배기들은 적층 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 두께를 갖는 제2 기판(예컨대, 제2 LOS)이 제1 두께를 갖는 제1 기판(예컨대, 제1 LOS) 상에 적층된다. 두 기판들 간의 인터페이스는 부분적으로 반사성(예컨대, 금속성 코팅/반-실버 미러, 박막 코팅, 이색성 미러, 유전체 인터페이스, 회절 격자, 회절 엘리먼트 등)일 수 있다. 다른 실시예에서, 별개의 도파관들/LOE들이 부분적-반사성(partially-reflective) 인터페이스와 함께 적층될 수 있다.
[00235] 추가로, 제1 및 제2 LOS들(및 시스템의 임의의 복수의 LOS들의 다양한 하위 조합들)의 두께들의 비율은 빔렛 오버랩에 의해 빔렛 증배에 영향을 미칠 수 있다. 만약 개개의 두께들이 범자연수 배수들 또는 몫들(즉, 팩터들)이라면, 복제된 빔렛들은 이들이 제1 및 제2 LOS들을 빠져나갈 때 오버랩할 수 있어, 빔렛 증배의 정도를 감소시킬 수 있다. 따라서 일부 실시예들에서(도 22b 참조), 제1 LOS의 제1 두께는 제2 LOS의 제2 두께의 비-균등 팩터(non-even factor)일 수 있다. 예컨대, 제1 두께는 (예컨대, 0.2 또는 0.5 대신) 제2 두께의 0.3256배일 수 있다. 다수의 LOS들을 갖는 준-랜덤 빔렛 어레이들은 LOS 두께들의 각도 또는 결함들에 민감하지 않을 수 있다.
[00236] 빔 증배기들은 또한 (예컨대, 50/50 이외에) 다양한 표면들의 반사성/투과율의 정도를 변화시킴으로써 튜닝될 수 있다. 이러한 그리고 다른 기법들을 사용하여, 증배기들은 빔렛들에 걸친 균등한 에너지 분배를 갖도록 튜닝될 수 있다. (예컨대, 눈들의 동공들을 채우기에 충분한) 적당한 양들의 빔 증배의 경우, 눈이 상이한 세트들의 빔렛들에 걸쳐 스위핑할 때, 빔렛들(및 그 그룹들)이 동일한 양들의 에너지를 가짐을 보장하기 위해 빔 증배기(들)는 2개가 될 수 있다. 빔렛들을 가로지르는 에너지의 양을 동일하게 하는 것은 사용자의 눈들이 FOV를 스위핑할 때 세기의 저하들(아티팩트들; 윙크)을 최소화한다. 빔렛들의 수가 기하 급수적으로 증가함에 따라, 빔렛들은 결국 무작위로 오버랩할 것이며, 이로써 세기 아티팩트들을 감소시킬 것이다.
[00237] 도 25는 FOV의 중심(2044) 쪽으로 지향되는 빔렛들(2016)에 대해 (예컨대, 최적의 빔 직경/에너지 분배를 갖는) 가장 많은 광을 생성하도록 튜닝/최적화되는 빔 증배기(2030)를 묘사한다. 예컨대, 빔 증배기(2030)는 빔 증배기(2030)로부터 나오게 될 빔렛들(2016)의 각도의 함수로써 광 세기/에너지를 변화시키도록 튜닝될 수 있다. 빔렛들(2016)은 빔 증배기(2030)의 표면에 더 수직/직교하도록(즉, 더 작은 입사각을 갖도록) FOV(10)의 중심(2044) 쪽으로 지향된다. 이 설계는 일부 사용자의 눈들이 대부분 지향될 FOV의 중심(2044)에서 아티팩트들을 최소화하는 동시에, 이미지를 디스플레이하는 데 요구된 에너지의 양을 제어한다. 절충으로서, 빔 증배기(2030)는 FOV의 주변 부분들에서 보다 중심을 벗어난 빔렛들(2016)에 대해 더 적게 튜닝/최적화되었다.
[00238] FOV는 만화경같이(kaleidoscopically) 튜닝된 빔 증배기들을 이용하여 확장될 수 있다. 빔 증배기가 광학적으로 중요한 구역들(예컨대, FOV의 중심)에서 조밀한 빔 증배를 갖도록 그리고 광학적으로 덜 중요한 구역들(예컨대, FOV의 주변)에서 희소 빔 증배를 갖도록, 표면들의 상대 반사율이 튜닝될 수 있다. FOV는, 동공간 거리 측정 및 동공 모션 추적을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 다양한 타입들의 눈 추적으로 결정될 수 있다.
[00239] 도 67에 묘사된 OPE(494) 및 EPE(496)는 서로 커버하지/오버레이하지 않는다. 그러나, 만약 OPE가 EPE 또는 EPE의 부분을 오버레이한다면, 사용자의 눈을 향해 LOE(490)에서 출사할 수 있는 빔들(즉, 미러링된 빔들)의 다수의 반사들에 대한 증가된 기회가 있다. 미러링된 빔들은 위상이 시프트되어, 아티팩트(예컨대, 불스 아이(bull's eye) 또는 "FZA(Fresnel zone artifact)"들)를 야기할 수 있다. FZA들을 감소시키는 하나의 방법은 반사 방지 코팅들을 사용하여, 미러링되는 빔들을 감소시키는 것이다. FZA들을 감소시키는 다른 방법은 얇은 도파관 OPE를 EPE로부터 분리하는 것이다. 얇은 도파관 OPE의 두께는 또한, FZA들이 최소화되도록 튜닝될 수 있는데, 왜냐하면, 얇은 도파관 OPE는 (예컨대, 2 pi 두께 관계를 사용하여) 빔렛들을 하나의 파장에 대한 위상으로 되돌리기 때문이다. 빔렛들 간의 상대 위상 차는 파장 및 스캔 각도의 함수이다. 얇은 도파관 OPE의 두께는, 인간 눈이 가장 민감한 녹색 광으로 FZA들을 최소화하도록 튜닝될 수 있다. 예컨대, 얇은 도파관 OPE는 515 nm-540 nm, 520 nm(녹색), 또는 532 nm(녹색)에 대해 튜닝될 수 있다. 다른 실시예들에서, 얇은 도파관 OPE는 475 nm(청색) 광 또는 650 nm(적색) 광으로 FZA들을 최소화하도록 튜닝될 수 있다. 인간 눈이 중심와 주위의 환형 구역에서 청색 광을 더 잘 알아차릴 수 있기 때문에, 특정 FZA들은 청색 광에 더 해로우며, 그러한 FZA들을 청색 광에 대해 최소화하는 것은 이미지 품질을 크게 개선할 수 있다. 따라서, 만약 얇은 도파관 OPE의 두께가 2 pi 두께 관계를 갖도록 튜닝된다면, 얇은 도파관 OPE는, FZA들을 감소시키면서 EPE를 오버레이할 수 있다.
[00240] 도 26a 및 도 26b는, 광이 인접한 층으로 부분적으로 투과되기보다는 (굴절률 갭을 갖는) 인터페이스에서 실질적으로 TIR에 의해 전파되는 것을 보장하는 굴절률 갭(예컨대, 에어 갭)(2602)을 갖는 빔 증배기(2600)를 묘사한다. 빔 증배기를 통한 광 경로는, OPE1(2604)(예컨대, 더 두꺼운 LOS) 내로의 진입으로 시작되어, OCG(2606)를 통해 OPE1(2604) 밖으로, ICG(2610)를 통해 OPE2(2608) 내로, 그리고 OPE2(2608)(예컨대, 더 얇은 LOS)를 통한다. 굴절률 갭(2602)은, 이 빔 증배기(2600)를 통한 광 흐름을 제어하여, 광이 OCG(2606) 및 ICG(2610)를 통해서만 OPE1(2604)과 OPE2(2608) 사이를 통과하게 허용한다. OPE1(2604) 및 OPE2(2608)의 두께를 변화시킴으로써, OPE1(2604) 및 OPE2(2608)에 대해 상이한 주기적 관계들이 달성될 수 있다. 이는 빔렛 클로닝에 대해 상이한 공간 주파수를 생성하도록 튜닝될 수 있다. 위에서 설명된 변화된 광학(광 수정) 특징은 LOE 두께이지만, 다른 광학 특징들(이를테면, 회절률)이 또한, 본원에서 설명된 것들과 유사한 효과들을 달성하도록 변화될 수 있다.
[00241] OPE1(2604)에 대한 2개의 출사 에지들(2612, 2614)이 존재한다(도 26b 참조). 일부 실시예들에서, 출사 에지들 둘 모두는 OPE2(2608)에 커플링된다. 다른 실시예에서, OPE1(2604)의 회절 효율성은, 대부분의 광을 OPE2(2608)에 커플링된 하나의 출사 에지(예컨대, 2606)로 안내하기 위해 OPE1(2604)의 다양한 부분들에서 변화될 수 있다.
[00242] 그러한 시스템을 사용하여, (별개의 엘리먼트로서) OPE는 LOE(490)(예컨대, 도 10 참조)로부터 제거되어, 전체 접안렌즈 또는 그 상당부를 커버하는 별개의 층(494)으로 신장될 수 있다. 광은 LOE(490)에 커플링되고, 2개의 광학 엘리먼트들 간의 제어된 인터페이스로서 증배를 위해 별개의 큰 OPE(494)에 들어간다. 광 빔은 OPE(494)를 통해 스테어-스탭핑(stair-step)할 수 있고, OPE(494)의 엘리먼트들과의 다수의 상호작용들에 대해 곱해질 수 있다. OPE(494)로부터의 출사 빔렛들은 단일 빔들이 아니라, OPE(494)에 의해 분할되는 빔으로부터의 다수의 중첩된 빔렛들이다.
[00243] 이러한 설계를 사용하는 것은 또한, 정보/광 에너지의 전부 또는 대부분이 포함된 더 작은 구역을 포함하는 큰 구역을 생성할 수 있다. 그러한 시스템은 깊이 스위칭 메커니즘들을 사용하여 광을 상이한 층들(예컨대, 다수의 깊이 평면 층들)로 라우팅할 수 있다. 층들은 "PDLC(polymer dispersed liquid crystal)" 스위칭 가능한 층들일 수 있다. 대안적으로, 층들은 개개의 LC 셔터들을 갖는 도파관들일 수 있다. 그러한 시스템은, LC 셔터 또는 PDLC 스와치들에 의해 선택될 수 있는 리던던트 광학 정보에 대한 다수의 출사 포트들을 생성하기 위해 메인 LOE로부터의 TIR 기반 구조들을 사용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단일 OPE는 광/광학 정보를 다수의 EPE 층들(예컨대, 적색, 녹색, 및 청색 광에 대응하는 EPE들)에 피딩할 수 있다.
[00244] 도 27은 빔 증배기(2700)를 묘사하며, 단일 OPE(2702)는 2개의 공간적으로 변위된 OCG들(2708, 2710)을 사용하여 광/광학 정보를 2개의 EPE 층들(2704, 2706)에 피딩한다. OCG1(2708)은 ICG1(2712)을 통해 OPE(2702)를 EPE1(2704)에 커플링시킨다. OCG2(2710)는 ICG2(2714)를 통해 OPE(2702)를 EPE2(2706)에 커플링시킨다. OCG들(2708, 2710)은 턴 온 또는 턴 오프될 수 있는 PDLC일 수 있다. 대안적으로, LC 셔터 층(미도시)은 OPE(2702)와 EPE 층들(2704, 2706) 사이에 개재될 수 있다. 일부 실시예들에서, EPE 층들의 수는 MR 시스템에 대한 다수의 깊이 층들의 수에 대응하도록 세팅될 수 있다. 대안적 실시예들에서, 단일 OCG는 복수의 EPE 층들에 광/광학 정보를 선택적으로 피딩하기 위해 셔터들 또는 스위치들을 갖는 다수의 윈도우들로 분할될 수 있다. 다른 실시예(2800)(도 28)에서, OCG들(2808, 2810)은 OPE(2802)의 2개의 출사 에지들에서 또는 2개의 출사 에지들로부터 형성될 수 있다.
[00245] 도 29는 "미러들의 홀"과 유사하게 설계된 OPE(2902)를 갖는 빔 증배기(2900)를 묘사한다. 이러한 독립적인 큰 OPE 모듈(2902)에서, 입력/1차 빔(2904)은 OPE(2902)에 의해 곱해지고, 곱해진 빔렛들은 하나 이상의 OCG들(2906)을 통해 OPE(2902)에서 출사한다. 4개의 OPE 에지들 중 3개(2908, 2910, 2912)는 그들의 반사를 렌더링하기 위해, 폴리싱되고 알루미늄으로 코팅될 수 있다. 2개의 대향 미러들(2908, 2912)은 OPE(2902)를 통해 전파되는 빔들 및 빔렛들을 반사하고, 반사된 빔렛들이 OPE(2902)와 상호작용함에 따라, (동일한 광학 정보를 갖는) 추가적인 빔렛들을 생성한다. 그러한 OPE(2902)는 OCG(2906)를 향해 낮은 회절 효율성을 갖도록 튜닝될 수 있지만, 빔 증배는 OPE(2902)를 통한 다수의 통과들에 의해 크게 증가될 것이다. 선택적으로, OPE(2902)는, 빔들/빔렛들이 OCG(2906)를 통해 출사하기 전에 OPE(2902)를 통해 빔 길이를 증가시킴으로써 빔 증배를 가능하게 하기 위해 비교적 더 높은 회절 효율성(2914)의 하나 이상의 구역들을 가질 수 있다.
[00246] 도 30에 묘사된 유사한 실시예(3000)에서, 에지들 중 단지 2개(3010, 3012)(수직 에지들) 및 OPE(3002)의 제3 에지(3008)의 작은 부분만이 폴리싱되고 알루미늄으로 코팅되어 그들의 반사를 렌더링한다. 이러한 처리는 감소된 빔렛 증배를 산출하지만, (예컨대, OCG들(미도시)에 대한) 출사들(3016)에 대한 면적의 양을 2배로 만든다. 이러한 설계는 아웃-커플링에 대한 표면적(3016)을 증가시킨다.
[00247] 도 29 및 도 30에 묘사된 실시예들 둘 모두에 대해, OPE(2902, 3002)는 가변적인 회절 효율성으로 최적화/튜닝될 수 있다. 예컨대, 이러한 실시예들 둘 모두에서 구역들의 상부 왼쪽은 상하 방향(up-and-down direction)으로 광을 회절시키도록, 그리고 의도하지 않게 OPE(2902, 3002)로부터 커플링될 수 있는 ICG(2918, 3018)를 향해 다시 반사되는 광을 최소화하도록 튜닝될 수 있다.
[00248] 도 31에 묘사된 빔 증배기(3100)는 파장들에 걸쳐 공유되는 OPE(3102)를 포함한다. 제1 OCG(3104)는 OCG(3104)에 커플링된 청색 및 적색 광 흡수기(3106)와 함께 녹색 광을 아웃-커플링하도록 튜닝된다. 제2 OCG(3108)는 OCG(3108)에 커플링된 녹색 광 흡수기(3110)와 함께 청색 및 적색(즉, 자홍색) 광을 아웃-커플링하도록 튜닝된다.
[00249] 도 32에 묘사된 빔 증배기(3200)는 3개의 출력 구역들(3204, 3206, 3208)을 갖는 OPE(3202)를 포함한다. 3개의 출력 구역들(3204, 3206, 3208)은 매칭하는 흡수기들(3210, 3212, 3214)과 함께 OCG들(3204, 3206, 3208)을 사용하여 적색(3204), 녹색(3206), 및 청색(3208) 광을 각각 아웃-커플링하도록 튜닝된다. OPE(3202)의 DOE들(3216)은 대략 90도의 각도를 갖는 "V" 형상(3218)을 형성하지만, DOE들은 다른 실시예들에서 (예컨대, 빔렛 밀도(미도시)를 수정하기 위해) 상이한 각도들로 다른 형상들을 형성할 수 있다.
[00250] 도 33a-도 33i에 묘사된 빔 증배기들(3300)은 다양한 아웃-커플링 패턴들에 대한 OPE들(3302)의 튜닝을 허용하는 상이한 OPE(3302) 구역들의 다양한 "퀼트(quilt)들"을 예시한다. 이러한 OPE들(3302) 모두에서, 단일 입력/1차 빔(3304)은, 다양한 아웃-커플링 패턴들을 갖는 다양한 곱해진 빔들/빔렛들(3306)을 형성하기 위해, OPE들(3302)의 다양한 컴포넌트들에 의해 곱해지고, 회절되고, 그리고/또는 반사된다. 예컨대, 도 33a는 상이한 회절 특성들을 갖는 3개의 섹션들(3308, 3310, 3312)을 포함하는 OPE(3302)를 묘사한다. 3개의 섹션들은 (예컨대, 아웃-커플링 패턴을 변경시키기 위한) 독립적으로 스위칭 가능한 PDLC 컴포넌트들일 수 있거나, 또는 이들은 정적 컴포넌트들일 수 있다. 도 33c는, (예컨대, 아웃-커플링 패턴을 변경시키기 위한) 제1 및 제2 PDLC 컴포넌트들(3316, 3318) 및 회절 섹션(3314)을 갖는 OPE(3302)를 묘사한다. 도 33g는 OPE(3302)의 DOE들(3320)을 갖는 OPE(3302)가 도 32의 OPE(3202)와 유사한 "V" 형상(3322)을 형성하는 것을 도시한다.
[00251] 이제 도 34-도 36을 참조하면, 디스플레이 스크린(110)의 일 특정 실시예가 설명될 것이다. 도 34에 도시된 바와 같이, 도파관(172)은 광학적으로 투명한 재료, 이를테면, 예컨대 유리, 용융 실리카, 아크릴, 또는 폴리카보네이트의 단일의 유니터리 기판 또는 평면이지만, 대안적 실시예들에서, 도파관(172)은 동일한 평면 또는 상이한 평면들에서 함께 본딩된 광학적으로 투명한 재료의 별개의 개별 기판들 또는 페인(pane)들로 구성될 수 있다. IC 엘리먼트(168)는 이미지 투사 어셈블리(108)로부터 시준된 광 빔(250)을 면(180b)을 통해 도파관(172)으로 수용하기 위해 도파관(172)의 면(180b)과 가깝게 연관될(예컨대, 그에 임베딩될) 수 있지만, 대안적 실시예들에서, IC 엘리먼트(168)는 시준된 광 빔(250)을 인-커플링된 광 빔으로서 도파관(172)에 커플링하기 위해 다른 면(180a) 또는 심지어 도파관(172)의 에지와 연관될(예컨대, 그에 임베딩될) 수 있다. DOE(들)(174)는, 앞서 간략히 논의된 바와 같이, 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 2 차원적으로 확장시키기 위해 도파관(172)과 연관된다(예컨대, 도파관(172) 내에 통합되거나 또는 도파관(172)의 면들(180a, 180b) 중 하나 이상에 근접하거나 인접함).
[00252] 이를 위해, DOE(들)(174)는, 인-커플링된 광 빔(252)을 직교 광 빔렛들(254)로 분할하기 위해 도파관(172)의 면(180b)과 가깝게 연관된(예컨대, 그에 임베딩된) OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트(186), 및 직교 광 빔렛들(254)을, 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)을 향해 도파관(172)의 면(180b)에서 출사하는 아웃-커를링된 광 빔렛들(256)의 세트로 분할하기 위해 도파관(172)의 면(180b)과 가깝게 연관된(예컨대, 그에 임베딩된) EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트(188)를 포함한다. 도파관(172)이 별개의 페인들로 구성되는 대안적 실시예에서, OPE 엘리먼트(들)(174) 및 EPE 엘리먼트(188)는 도파관(172)의 상이한 페인들에 통합될 수 있다.
[00253] OPE 엘리먼트(186)는 제1 축(도 34의 수평 또는 x-축)을 따라 광을 중계하고, 제2 축(도 34의 수직 또는 y-축)을 따라 광의 유효 동공을 확장시킨다. 특히, 도 35에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, IC 엘리먼트(168)는, 축(262)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라(이 경우, 수직 또는 y-축을 따라) TIR을 통해 도파관(172) 내에서 인-커플링된 광 빔으로서 전파를 위해 시준된 광 빔(250)을 광학적으로 인-커플링하고, 그렇게 하여서, OPE 엘리먼트(186)와 반복적으로 교차한다. 예시된 실시예에서, OPE 엘리먼트(186)는 비교적 낮은 회절 효율성(예컨대, 50% 미만)을 갖고, 일련의 대각선 회절 엘리먼트들(x-축에 대해 45도)을 포함하여서, OPE 엘리먼트(186)와의 각각의 교차점에서, 인-커플링된 광 빔(252)의 부분(예컨대, 90% 초과)은 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 계속해서 전파되고, 인-커플링된 광 빔(252)의 남아있는 부분(예컨대, 10% 미만)은 EPE 엘리먼트(188)를 향해 축(264)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라(이 경우, 수평 또는 x-축을 따라) TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 직교 광 빔렛(254)(도 35에서 파선으로 도시됨)으로서 회절된다. 축(264)이 축(262)(y-축)에 수직인 것으로 또는 직교하는 것으로 설명되지만, 축(264)은 대안적으로 축(262)(y-축)에 대해 비스듬하게(obliquely) 배향될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[00254] 유사한 방식으로, OPE 엘리먼트(186)와의 각각의 교차점에서, 각각의 직교 광 빔렛(254)의 부분(예컨대, 90% 초과)은 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172)에서 계속해서 전파되고, 개개의 직교 광 빔렛(254)의 남아있는 부분(예컨대, 10% 미만)은 축(262)(y-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들(파선들로 도시됨)을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 2차 광 빔렛들(256)로서 회절된다. 결국, OPE 엘리먼트(186)의 각각의 교차점에서, 각각의 2차 광 빔렛(256)의 부분(예컨대, 90% 초과)은 축(262)(y-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172)에서 계속해서 전파되고, 개개의 2차 광 빔렛(256)의 남아있는 부분(예컨대, 10% 미만)은, 직교 광 빔렛들(254)과 동위상으로 조합되고 그리고 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 3차 광 빔렛들(258)로서 회절된다.
[00255] 따라서, 인-커플링된 광 빔(252)을, 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 다수의 직교 광 빔렛들(254)로 분할함으로써, 디스플레이 스크린(110)에 인-커플링된 시준된 광 빔(250)의 입사 동공은 OPE 엘리먼트(186)에 의해 y-축을 따라 수직으로 확장된다.
[00256] EPE 엘리먼트(188)는, 결국, 제1 축(도 36의 수평 x-축)을 따라 광의 유효 출사 동공을 추가로 확장시킨다. 특히, 도 36에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, OPE 엘리먼트(186)와 같이 EPE 엘리먼트(188)는 비교적 낮은 회절 효율성(예컨대, 50% 미만)을 가져서, EPE 엘리먼트(188)의 각각의 교차점에서, 각각의 직교 광 빔렛(254)의 부분(예컨대, 90% 초과)은 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 각각 도파관(172) 내에서 계속해서 전파되며, 각각의 직교 광 빔렛(254)의 남아있는 부분은, 도 36에 예시된 바와 같이, (z-축을 따라) 도파관(172)의 면(180b)에서 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛(256)으로서 회절된다. 즉, 광 빔렛이 EPE 엘리먼트(188)에 충돌(hit)할 때마다, 그 광 빔렛의 부분은 도파관(172)의 면(180b)을 향해 회절될 것인 한편, 남아있는 부분은 축(264)(x-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 계속해서 전파될 것이다.
[00257] 따라서, 각각의 직교 광 빔렛(254)을 다수의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로 분할함으로써, 시준된 광 빔(250)의 입사 동공은 EPE 엘리먼트(188)에 의해 x-축을 따라 수평으로 추가로 확장되어서, 오리지널 인-커플링된 광 빔(252)의 더 큰 버전과 유사한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 2 차원 어레이를 산출한다.
[00258] OPE 엘리먼트(186)와 EPE 엘리먼트(188)가 x-y 평면에서 비-오버랩핑하는 것으로 도 34에 예시되지만, OPE 엘리먼트(186)와 EPE 엘리먼트(188)는 도 39에 예시된 바와 같이 x-y 평면에서 서로 오버랩할 수 있거나, 또는 도 38에 예시된 바와 같이 x-y 평면에서 서로 부분적으로 오버랩할 수 있다. 두 경우 모두에서, 도 34에 예시된 실시예에서와 같이, OPE 엘리먼트(186)는, 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 인-커플링된 광 빔(252)을, 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 직교 광 빔렛들(254)로 분할할 것이다. 이러한 경우들에서, OPE 엘리먼트(186) 및 EPE 엘리먼트(188)는 도파관(172)의 대향 면들(180a, 180b) 상에 각각 배치될 필요가 있을 것이다.
[00259] 도파관(172)의 면(180b)으로부터 광 빔렛들(256)을 아웃-커플링하는 기능에 부가하여, EPE 엘리먼트(188)는 정해진 초점 평면을 따라 광 빔렛들(256)의 출력 세트를 포커싱하는 역할을 하여서, 이미지 또는 가상 오브젝트의 일부는, 초점 평면과 매칭하는 뷰잉 거리에서 최종 사용자(50)에게 보여진다. 예컨대, 만약 EPE 엘리먼트(188)가 선형 회절 패턴만을 갖는다면, 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)을 향해 도파관(172)의 면(180b)에서 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)은, 도 39a에 도시된 바와 같이, 실질적으로 평행할 것이며, 이는 최종 사용자(50)의 뇌에 의해, 광학 무한대에서의 뷰잉 거리(초점 평면)로부터의 광으로서 해석될 것이다. 그러나, 만약 EPE 엘리먼트(188)가 선형 회절 패턴 컴포넌트 및 방사상 대칭적 회절 패턴 컴포넌트 둘 모두를 갖는다면, 도파관(172)의 면(180b)에서 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)은 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)의 관점에서 더 발산적으로 렌더링될 것이고(즉, 볼록한 곡률이 광 파면에 부여될 것임), 눈(들)(52)이 결과적인 이미지를 망막 상의 포커스로 가져가기 위해 더 가까운 거리에 수용할 것을 요구할 것이며, 도 39b에 도시되는 바와 같이, 최종 사용자(50)의 뇌에 의해, 광학 무한대보다 눈(들)(52)에 더 가까운 뷰잉 거리(예컨대, 4 미터)로부터의 광으로서 해석될 것이다. 도파관(172)의 면(180b)에서 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)은 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)의 관점에서 훨씬 더 발산적으로 렌더링될 수 있고(즉, 더 볼록한 곡률이 광 파면에 부여될 것임), 눈(들)(52)이 결과적인 이미지를 망막 상의 포커스로 가져가기 위해 훨씬 더 가까운 거리에 수용할 것을 요구할 수 있으며, 도 39c에 도시되는 바와 같이, 최종 사용자(50)의 뇌에 의해, 눈(들)(52)에 더 가까운 뷰잉 거리(예컨대, 0.5 미터)로부터의 광으로서 해석될 것이다.
[00260] 도파관 장치(170)가 단지 하나의 초점 평면을 갖는 것으로 본원에서 설명되었지만, 미국 특허 공보 번호들 제2015/0309264호 및 제2015/0346490호에서 논의된 바와 같이, 연관된 OPE들(176) 및 EPE들(178)을 갖는 다수의 평면 광 도파관들(172)은 다수의 초점 평면들에서 이미지들을 동시적으로 또는 순차적으로 생성하는 데 사용될 수 있다는 것이 인지되어야 하며, 이 미국 특허 공보들은 명백하게 인용에 의해 본원에 포함된다.
[00261] 이전에 설명된 바와 같이, 디스플레이 스크린(110)의 출사 동공의 포화 또는 채우기를 증가시키는 것이 바람직하다. 수정 없이, 디스플레이 스크린(110)의 출사 동공은 최적으로 포화되지 않을 수 있다. 예컨대, 도 40a에 예시된 바와 같이, 시준된 광 빔(250)의 동공은, 사실상 비교적 희소한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 3 × 3 어레이의 출사 동공(300a)으로 확장될 수 있다(즉, 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 간의 갭들은 비교적 큼). 그러나, 도 40b에 예시된 바와 같이, 디스플레이 스크린(110)은 시준된 광 빔(250)의 동공이, 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 더 포화된 9 × 9 어레이의 출사 동공(300b)으로 확장되도록, 빔-곱셈 피처들로 향상될 수 있다.
[00262] 예컨대, 일부 실시예들에서, 2개의 OPE들(186)은 인-커플링된 광 빔(252)으로부터 획득된 직교 광 빔렛들(254)의 수를 두 배가 되게 하기 위해 이용되며, 따라서, 도파관(172)의 면(180b)에서 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 2 차원 어레이의 포화를 두 배가 되게 한다.
[00263] 특히, 도 41-43에 도시된 바와 같이, 도파관 장치(170a)는, 도파관 장치(170a)가, 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 인-커플링된 광 빔(252)을 (도 41에서 가장 잘 도시된) 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되기 위한 제1 세트의 직교 광 빔렛들(254a)로 분할하기 위해 도파관(172)의 면(180a)에 인접하게(예컨대, 면(180a) 상에) 배치된 제1 OPE 엘리먼트(186a), 및 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 인-커플링된 광 빔(252)을 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되기 위한 제2 세트의 직교 광 빔렛들(254b)로 분할하기 위해 도파관(172)의 제2 면(180b)에 인접하게(예컨대, 제2 면(180b) 상에) 배치된 제2 OPE 엘리먼트(186b)를 포함하는 것을 제외하고, 설명된 도파관 장치(170)와 유사하다. 도 41에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 직교 광 빔렛들(254a, 254b)의 제1 및 제2 세트들은 서로 교번한다.
[00264] 즉, 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파하는 인-커플링된 광 빔(252)이 도파관(172)의 반대쪽 면들(180a, 180b) 상에서 제1 및 제2 OPE 엘리먼트들(186a, 186b)과 교대로 교차하기 때문에, 인-커플링된 광 빔(252)의 부분들은 축(264)(x-축)에 평행한 교번하는 내반사성 광학 경로들을 따른 TIR을 통한 도파관(172) 내에서의 전파를 위해 제1 및 제2의 1차 세트들의 광 빔렛들(254a, 254b)로서 각각 회절된다. (도 41 및 도 42에 도시된) 2차 광 빔렛들(256a, 256b)은 또한, 빔렛들(254a, 254b)로부터 각각 생성되며, 이는, 직교 광 빔렛들(254a, 254b)과 위상에서 각각 조합하는 (도 41에만 도시된) 3차 광 빔렛들(258a, 258b)을 추가로 생성한다. 결국, 제1 및 제2의 1차 세트들의 광 빔렛들(254a, 254b)은 도파관(172)의 면(180b) 상에서 EPE 엘리먼트(188)와 교차하며, 이들의 부분들은 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 제1 세트의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256a) 및 제2 세트의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256b)로서 각각 회절된다. 따라서, 직교 광 빔렛들(254)의 두 배가 되게 하는 것은 그에 대응하여, (도 40b에 도시된) 디스플레이 스크린(110)에 의해 확장되는 출사 동공(300a)의 포화를 증가시킨다.
[00265] 다른 실시예에서, 부분적으로 반사성인 인터페이스들은 도파관(172) 내에서 전파하는 광 빔렛들의 수를 증가시키고 따라서 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 2 차원 어레이의 포화를 증가시키기 위해 도파관(172)으로 통합된다. 아래에 예시된 실시예들에서, 도파관(172)은, 인접한 기판들의 적어도 하나의 쌍 및 인접한 기판들의 쌍(들)의 각각 간의 반-반사성 인터페이스를 갖는 복수의 층상 기판들을 포함하여, 각각의 반-반사성 인터페이스와 교차하는 광 빔이 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파하는 다수의 빔렛들로 분할되며, 이로써 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 밀도를 증가시킨다. 아래에 설명된 인접한 기판들이 실척대로 도시되지 않으며, 단순성을 목적으로 서로의 배수들인 것으로 예시된다는 것이 주목되어야 한다. 그러나, 인접한 기판들은 서로의 비-배수들일 수 있고, 바람직하게 서로의 비-배수들이어서, 도파관의 면을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 채우기의 밀도가 최대화된다.
[00266] 특히 그리고 도 44-46을 참조로, 도파관 장치(170b)는, 도파관(172)이 1차 도파관(172a) 및 2차 도파관(172b)으로 구성된 복합 기판이라는 것을 제외하고, 설명된 도파관 장치(170)와 유사하다. 도파관 장치(170b)는 1차 도파관(172a)과 2차 도파관(172b) 간에 배치된 반-반사성 인터페이스(190)를 더 포함한다.
[00267] 일부 실시예들에서, 반-반사성 인터페이스(190)는 반-반사성 코팅, 이를테면 예컨대, 금속, 이를테면 골드, 알루미늄, 실버, 니켈-크롬, 크롬 등, 유전체, 이를테면 산화물들, 불화물들, 황화물들 등, 반도체, 이를테면 실리콘, 게르마늄 등의 형태를 취하며, 그리고/또는 반사 특성들을 갖는 아교 또는 접착제는 임의의 적절한 프로세스, 이를테면 PVD(physical vapor deposition), IAD(ion-assisted deposition) IBS(ion beam sputtering) 등을 통해 1차 도파관(172a)과 2차 도파관(172b) 간에 배치될 수 있다. 반-반사성 코팅(190)의 반사 대 투과의 비율은 코팅(190)의 두께에 적어도 부분적으로 기반하여 선택 또는 결정될 수 있거나, 또는 반-반사성 코팅(190)은 반사 대 투과의 비율을 제어하기 위해 복수의 작은 천공들을 가질할 수 있다. 대안적 실시예에서, 1차 도파관(172a) 및 2차 도파관(172b)은 상이한 굴절률들을 갖는 재료들로 구성되어, 도파관들(172a, 172b) 간의 인터페이스는 임계 각도(즉, 광의 일부가 반-반사성 인터페이스를 통해 투과되고, 광의 나머지 부분이 반-반사성 인터페이스에 의해 반사되는 입사 각도) 미만의 반-반사성 인터페이스 상에 입사하는 광에 대해 반-반사성이다. 반-반사성 인터페이스(190)는 바람직하게 설계되어, 반-반사성 인터페이스(190) 상에 입사하는 광 빔의 각도는 보존된다.
[00268] 임의의 이벤트에서, 도 45에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, IC 엘리먼트(168)는, 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파하는 인-커플링된 광 빔(252)으로서, 시준된 광 빔(250)을 평면 광 도파관(172)으로 커플링시킨다. 반-반사성 인터페이스(190)는 인커플링된 광 빔(252)을 다수의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다.
[00269] 특히, 반-반사성 인터페이스(190)는, 인-커플링된 광 빔(252)을 2개의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(이 경우, 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 1차 도파관(172a) 내에서 전파하는 (실선으로 도시된) 제1의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a) 및 (파선으로 도시된) 제2의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252b))로 분할하도록 구성된다. 도 45에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는, 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 2차 도파관(172b) 내에서 전파하는 2차 인-커플링된 광 빔렛(252')을 생성하며, 그 광 빔렛으로부터 제2의 1차 인-커플링된 광 빔렛(252b)이 생성된다.
[00270] 1차 도파관(172)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 배수(이 경우, 정확히 2배의 두께)이기 때문에, 2개의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a, 252b)만이 광 빔렛들의 재결합으로 인해 생성된다는 것이 인지되어야 한다. 그러나, 1차 도파관(172a)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 비-배수인 선호된 경우에서, 추가적인 1차 인-커플링된 광 빔렛(252)은 2차 인-커플링된 광 빔렛(252')과 반-반사성 인터페이스(190) 간의 각각의 교차점에서 생성되고, 마찬가지로, 추가적인 2차 인-커플링된 광 빔렛(252')은 1차 인-커플링된 광 빔렛(252)과 반-반사성 인터페이스(190) 간의 각각의 교차점에서 생성된다. 이런 방식으로, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252)의 수는 축(262)을 따라 ICO(168)로부터 기하학적으로 증가한다.
[00271] OPE 엘리먼트(186)는 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a, 252b)을 2개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들로 각각 분할하도록 구성된다. 특히, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a, 252b)은 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 OPE 엘리먼트(186)와 교차하여, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a, 252b)의 부분들은 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파하는 2개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a, 254b)로서 회절된다.
[00272] 도 46에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 2개의 세트들의 직교 광 빔렛들(254a, 254b)을 4개의 세트들의 직교 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 특히, 반-반사성 인터페이스(190)는 한 세트의 1차 직교 광 빔렛들(254a)을 2개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a)(이 경우, 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 1차 도파관(172a) 내에서 전파하는 (실선으로 도시된) 제1 세트의 1차 직교 광 빔렛들(254a(1)) 및 (파선으로 도시된) 제2 세트의 1차 직교 광 빔렛들(254a(2)))로 분할한다. 도 46에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는, 축(264')(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 2차 도파관(172b) 내에서 전파하는 한 세트의 2차 직교 광 빔렛들(252')을 생성하며, 그 광 빔렛들로부터 제2 세트의 1차 직교 광 빔렛들(254a(2))이 생성된다. 유사하게, 반-반사성 인터페이스(190)는, 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 1차 도파관(172a) 내에서 전파하는 2개의 추가 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(미도시)로 한 세트의 직교 광 빔렛들(254b)을 분할한다.
[00273] 1차 도파관(172a)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 배수(이 경우, 정확히 2배의 두께)이기 때문에, 2개의 1차 직교 광 빔렛들(254)만이 각각의 직교 광 빔렛으로부터 생성된다는 것이 인지되어야 한다. 그러나, 1차 도파관(172a)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 비-배수인 선호된 경우에서, 추가적인 1차 직교 광 빔렛(254)은 2차 직교 광 빔렛(254')과 반-반사성 인터페이스(190) 간의 각각의 교차점에서 생성되고, 마찬가지로, 추가적인 2차 직교 광 빔렛(254')은 1차 인-커플링된 광 빔렛(254)과 반-반사성 인터페이스(190) 간의 각각의 교차점에서 생성된다. 이런 방식으로, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 수는 축(264)(x-축)을 따라 ICO(168)로부터 기하학적으로 증가한다.
[00274] EPE 엘리먼트(188)는 직교 광 빔렛들 각각을 한 세트의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로 분할하도록 구성된다. 예컨대, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 세트들(도시된 1차 직교 광 빔렛들(254a(1) 및 254a(2))의 세트들만)이 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 EPE 엘리먼트(188)와 교차하여, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 부분들은 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 한 세트의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로서 회절된다. 따라서, 인-커플링된 광 빔렛들(252)의 수 및 직교 광 빔렛들(254)의 수의 증가는 그에 대응하여, (도 40b에 도시된) 디스플레이 스크린(110)에 의해 확장되는 출사 동공(300a)의 포화를 증가시킨다.
[00275] 도 47a-47d를 참조하면, 반-반사성 인터페이스(190)가 광 빔(이 경우, 인-커플링된 광 빔(252), 그러나 동일한 기법은 직교 빔(254)에 또한 적용될 수 있음)을 다수의 빔렛들(252)(이 경우, 2개의 광 빔렛들(252a 및 252b))로 곱해지는 방식이 이제 설명될 것이다. 도 47a-47d의 예에서, 1차 도파관(172a)은 2차 도파관(172b)의 배수이고, 따라서, 1차 광 빔렛(252) 및 2차 광 빔렛(252')은 반-반사성 인터페이스(190)에서 몇몇의 교차점들을 공유할 수 있다. 그러나, 앞서 간략히 논의된 바와 같이, 1차 도파관(172a)은 바람직하게 2차 도파관(172b)의 비-배수여서, 반-반사성 인터페이스(190)에서의 공통 교차점들의 수는 최소화되며, 이로써, 추가적인 광 빔렛들(252)을 생성하고 아웃-커플링된 빔렛들의 채우기를 최대화시킨다.
[00276] 반-반사성 인터페이스(190)와의 제1 교차점(P1)에서, 광 빔(252)의 일부는, 반-반사성 인터페이스(190)의 제2 교차점(P2)으로 다시 도파관(172)의 면(180a)에 의해 반사되는 2차 광 빔렛(252')으로서 반-반사성 인터페이스(190)를 통해 2차 도파관(172b)으로 투과되는 반면, 광 빔(252)의 일부는, 반-반사성 인터페이스(190)의 제3 교차점(P3)으로 다시 도파관(172)의 면(180b)에 의해 반사되는 1차 광 빔렛(252a)으로서 반-반사성 인터페이스(190)에 의해 다시 1차 도파관(172a)으로 반사된다(도 47a).
[00277] 반-반사성 인터페이스(190)와의 제2 교차점(P2)에서, 2차 광 빔렛(252')의 일부는, 반-반사성 인터페이스(190)의 제4 교차점(P4)으로 다시 도파관(172)의 면(180a)에 의해 반사되는 1차 광 빔렛(252b)으로서 반-반사성 인터페이스(190)를 통해 1차 도파관(172b)으로 투과되는 반면, 2차 광 빔렛(252')의 일부는, 반-반사성 인터페이스(190)의 제3 교차점(P3)으로 다시 도파관(172)의 면(180a)에 의해 반사되는 2차 광 빔렛(252')으로서 반-반사성 인터페이스(190)에 의해 다시 2차 도파관(172b)으로 반사된다(도 47b).
[00278] 반-반사성 인터페이스(190)와의 제3 교차점(P3)에서, 1차 광 빔렛(252a)의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)를 통해 2차 도파관(172b)으로 투과되고, 2차 광 빔렛(252')의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)에 의해 다시 2차 도파관(172b)으로 반사되며 ― 그 부분들은 2차 광 빔렛(252')으로서 함께 조합되는 것으로 발생함 ― 도파관(172)의 면(180b)에 의해 다시 제4 교차점(P4)으로 반사된다(도 47c). 물론, 1차 광 빔렛(252a) 및 2차 광 빔렛(252')은 공통 교차점(P3)을 갖지 않을 수 있으며, 이 경우, 추가적인 2차 광 빔렛(252')이 생성될 수 있다. 또한, 반-반사성 인터페이스(190)와의 제3 교차점(P3)에서, 2차 광 빔렛(252')의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)를 통해 1차 도파관(172a)으로 투과되고, 1차 광 빔렛(252a)의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)에 의해 다시 1차 도파관(172a)으로 반사되며 ― 그 부분들은 1차 광 빔렛(252a)으로서 함께 조합될 수 있음 ― 도파관(172)의 면(180b)에 의해 다시 반-반사성 인터페이스(190)의 제5 교차점(P5)으로 반사된다(도 47c). 물론, 2차 광 빔렛(252') 및 1차 광 빔렛(252a)은 공통 교차점(P3)을 갖지 않을 수 있으며, 이 경우, 추가적인 1차 광 빔렛(252)이 생성될 수 있다.
[00279] 반-반사성 인터페이스(190)와의 제4 교차점(P4)에서, 1차 광 빔렛(252b)의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)를 통해 2차 도파관(172b)으로 투과되고, 2차 광 빔렛(252')의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)에 의해 다시 2차 도파관(172b)으로 반사되며 ― 그 부분들은 2차 광 빔렛(252')으로서 함께 조합될 수 있음 ― 도파관(172)의 면(180b)에 의해 다시 제5 교차점(P5)으로 반사된다(도 47d). 물론, 1차 광 빔렛(252b) 및 2차 광 빔렛(252')은 공통 교차점(P4)을 갖지 않을 수 있으며, 이 경우, 추가적인 2차 광 빔렛(252')이 생성될 수 있다. 또한, 반-반사성 인터페이스(190)와의 제4 교차점(P4)에서, 2차 광 빔렛(252')의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)를 통해 1차 도파관(172a)으로 투과되고, 1차 광 빔렛(252b)의 일부는 반-반사성 인터페이스(190)에 의해 다시 1차 도파관(172a)으로 반사되며 ― 그 부분들은 1차 광 빔렛(252b)으로서 함께 조합됨 ― 도파관(172)의 면(180b)에 의해 다시 반-반사성 인터페이스(190)의 제6 교차점(P6)으로 반사된다(도 47d). 물론, 2차 광 빔렛(252') 및 1차 광 빔렛(252b)은 공통 교차점(P4)을 갖지 않을 수 있으며, 이 경우, 추가적인 1차 광 빔렛(252)이 생성될 수 있다.
[00280] 따라서, 2개의 광 빔렛들(252a, 252b)을 생성하여 도파관 장치(170) 내에서 전파하기 위해 광 에너지가 1차 도파관(172a)과 2차 도파관(172b) 간에 전달된다는 것이 전술한 것으로부터 인지될 수 있다.
[00281] 중요하게도, 층상 기판들의 두께들은, 각각의 반-반사성 인터페이스 상의 광 빔들의 예상되는 입사 각도들과 조정하여 선택되어, 인접한 아웃-커플링된 빔렛들(256)의 에지들 간에 어떠한 갭도 존재하지 않는다.
[00282] 예컨대, 도 44-46에 예시된 실시예에서, 2차 도파관(172b)의 두께는 1차 도파관(172a)의 두께보다 작으며, 2차 도파관(172b)의 두께 는, 결과적인 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 중 인접한 광 빔렛들의 중심들 간의 간격들이 시준된 광 빔렛(250)의 폭 w 이하도록 선택된다. 물론, 만약 1차 도파관(172a)이 2차 도파관(172b)의 배수가 아니라면, 결과적인 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 중 인접한 광 빔렛들의 중심들 간의 간격들은 시준된 광 빔렛(250)의 폭 w보다 클 수 있다.
[00283] IC 엘리먼트(168)의 사이즈에 대한 시준된 광 빔(250)의 폭 w가 예시를 목적으로 과장되어 있다는 것이 주목되어야 한다. 실제로, 시준된 광 빔(250)의 폭 w는 IC 엘리먼트(168)의 사이즈보다 훨씬 더 작을 것이며, 이는 시준된 광 빔(250)의 모든 스캔 각도들을 수용하기에 충분히 클 필요가 있다. 선호된 실시예에서, 인접한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 간의 평균 간격은 최악의(worst-case) 스캔 각도에 대해 최소화된다. 예컨대, 최악의 스캔 각도에 대해, 인접한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 중 일부 간에 갭들이 존재할 수 있지만, 대부분의 인접한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 간에는 어떠한 갭들도 존재하지 않을 것이다.
[00284] 따라서, 2차 도파관(172b)의 두께 는 인접한 아웃-커플링된 빔렛들(256) 간의 간격들을 최소화시키기 위해 최악의 스캔 각도에 기반하여 선택될 수 있다. 최악의 스캔 각도는 반-반사성 인터페이스(190) 상의 인-커플링된 광 빔(252)의 가장 작은 입사각을 야기하는 스캔 각도이라는 것이 주목되어야 한다. 물론, 만약 1차 도파관(172a)이 2차 도파관(172b)의 배수가 아니라면, 더 많은 아웃-커플링된 빔렛들(256)이 생성될 것이며, 이로써, 인접한 아웃-커플링된 빔렛들(256) 간의 평균 간격을 자연스럽게 감소시킨다. 이 경우, 비교적 높은 최소 공배수를 갖도록 두께 값들 t 및 를 선택하는 것이 유익할 수 있다. 예컨대, 두께 값들 t 및 를 선택할 시에, 최악의 스캔 각도에 대한 아웃-커플링된 빔렛들(256)의 양(quantity)을 최대화시키기 위해 두께 값들 t 및 의 최소 공배수를 최대화시키기를 추구할 수 있다. 또한, 두께 값들 t 및 를 선택하는 것은 또한, 인접한 아웃-커플링된 빔렛들(256) 간의 코히어런트 광 상호작용들에 의해 생성되는 역효과들을 최소화시킬 수 있는 아웃-커플링된 빔렛들(256)의 불균일한/복잡한 분배를 산출할 수 있다.
[00285] 예컨대, 만약 인-커플링된 광 빔(252)과 반-반사성 인터페이스(190) 간의 최악의 입사각이 60도이고 1차 도파관(172a)의 두께 t가 2차 도파관(172b)의 두께 의 정확히 2배라고 가정되면, 2차 도파관(172b)의 두께 는 인-커플링된 광 빔(252)의 폭 w의 가 되어야 하므로, 도 48에 예시된 바와 같이, 인접한 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252)은 그들 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않을 것이고, 도 49에 예시된 바와 같이, 인접한 1차 직교 광 빔렛들(254)은 그들 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않을 것이며, 따라서, 인접한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)은 그들 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않을 것이다.
[00286] 설명에서 단순성을 목적으로, 반-반사성 인터페이스(190)를 통해 투과된 광의 어떠한 굴절도 가정되지 않는다는 것이 인지되어야 한다. 그러나, 반-반사성 인터페이스(190)를 통한 투과된 광의 실질적인 반사가 발생하는 경우, 그러한 굴절로 인한 광의 투과의 각도는, 2차 도파관(172b)의 두께 를 선택할 때 고려되어야 한다. 예컨대, 반-반사성 인터페이스(190)에 대한 투과된 광의 각도가 감소하도록 광의 굴절이 커질수록, 그러한 굴절을 보상하기 위해 2차 도파관(172b)의 두께 가 더 많이 감소되어야 한다.
[00287] 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 1차 도파관(172a) 내에서 전파하는 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252)의 생성, 및 그런다음 축(264)(x-축)에 평행한 내반사성 광학 경로들을 따라 1차 도파관(172a) 내에서 전파하는 1차 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 생성은, 2차 도파관(172b)의 적합한 두께 를 가정하면, 디스플레이 스크린(110)의 출사 동공을 완벽하게 채울 것이라는 것이 전술한 것으로부터 인지되어야 한다.
[00288] 인접한 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252), 1차 직교 광 빔렛들(254), 및 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 간의 평균 간격을 추가로 감소시키기 위해 2차 도파관(172b)의 두께 를 감소시키는 것이 바람직한 경우, 1차 도파관(172a)의 두께 t는 2차 도파관(172b)의 두께 보다 훨씬 더 크며, 예컨대 2차 도파관(172b)의 두께 의 3배, 4배, 5배, 또는 훨씬 더 많이 클 수 있다.
[00289] 예컨대, 도 50 및 51의 도파관 장치(170c)에 대하여 예시된 바와 같이, 1차 도파관(172a)의 두께 t는 2차 도파관(172b)의 두께 의 3배이다. 도 50에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, IC 엘리먼트(168)는 인-커플링된 광 빔(252)을 도파관(172)에 커플링하고, 이는 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파된다. 반-반사성 인터페이스(190)는 인-커플링된 광 빔(252)을 3개의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 특히, 반-반사성 인터페이스(190)는 인-커플링된 광 빔(252)을, 축(262)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252)(제1 1차 인-커플링된 광 빔렛(252a)(실선으로 도시됨) 및 2개의 추가 인-커플링된 광 빔렛들(252b, 252c)(파선들로 도시됨))로 분할한다. 도 50에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 2차 인-커플링된 광 빔렛(252')을 생성하고, 이는 축(264')(x-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 2차 도파관(172b) 내에서 전파되고, 그로부터 2개의 1차 인-커플링된 광 빔렛(252b, 252c)이 생성된다.
[00290] 1차 도파관(172a)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 배수(이 경우, 두께에서 정확히 3배)이기 때문에, 광 빔렛들의 재결합으로 인해 오직 3개의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a, 252b, 252c)이 생성되는 것이 인지되어야 한다. 그러나, 1차 도파관(172a)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 비-배수인 바람직한 경우, 추가적인 1차 인-커플링된 광 빔렛(252)이 2차 인-커플링된 광 빔렛(252')과 반-반사성 인터페이스(190) 사이의 각각의 교차점에서 생성되고, 마찬가지로, 추가적인 2차 인-커플링 광 빔렛(252')이 1차 인-커플링된 광 빔렛(252)과 반-반사성 인터페이스(190) 사이의 각각의 교차점에 생성된다. 이런 방식으로, 1차 인-커플링된 광 빔렛(252)의 수는 축(262)(y-축)을 따라 ICO(168)로부터 기하학적으로 증가한다.
[00291] OPE 엘리먼트(186)는 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)을 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들로 각각 분할하도록 구성된다. 특히, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)은, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)의 일부들이 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a-254c)로서 회절되도록, 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 OPE 엘리먼트(186)와 교차한다.
[00292] 도 51에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 3개의 세트들의 직교 광 빔렛들(254a-254c)을 9개의 세트들의 직교 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 특히, 반-반사성 인터페이스(190)는 1차 직교 광 빔렛들(254a)의 세트를, 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a)(제1 세트의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(254a)(실선으로 도시됨) 및 2개의 추가 세트들의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(254b, 254c)(파선들로 도시됨))로 분할한다. 도 51에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 2차 인-커플링된 광 빔렛들(252')의 세트를 생성하고, 이는 축(262')(y-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 2차 도파관(172b) 내에서 전파되고, 그로부터 2개의 세트들의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(254b, 254c)이 생성된다. 유사하게, 반-반사성 인터페이스(190)는 직교 광 빔렛들(254b)의 세트를 3개의 추가 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(미도시)로 분할하고 직교 광 빔렛들(254c)의 세트를 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 추가 세트의 1차 직교 광 빔렛들(미도시)로 분할한다.
[00293] 1차 도파관(172a)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 배수(이 경우, 두께에서 정확히 3배)이기 때문에, 광 빔렛들의 재결합으로 인해 오직 3개의 1차 세트들의 직교 광 빔렛들(254a, 254b, 254c)이 생성되는 것이 인지되어야 한다. 그러나, 1차 도파관(172a)의 두께가 2차 도파관(172b)의 두께의 비-배수인 바람직한 경우, 추가적인 세트의 1차 직교 광 빔렛들(254)이 2차 직교 광 빔렛들(254')의 세트와 반-반사성 인터페이스(190) 사이의 각각의 교차점에서 생성되고, 마찬가지로, 추가적인 세트의 2차 직교 광 빔렛들(254')이 1차 세트의 직교 광 빔렛(254)과 반-반사성 인터페이스(190) 사이의 각각의 교차점에 생성된다. 이런 방식으로, 1차 직교 광 빔렛(254)의 수는 축(264)(x-축)을 따라 ICO(168)로부터 기하학적으로 증가한다.
[00294] EPE 엘리먼트(188)는 9개의 세트들의 직교 광 빔들을 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 세트로 분할하도록 구성된다. 특히, 도 51에 도시된 바와 같이, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 세트들(오직 1차 직교 광 빔렛들(254a(1)-254a(3))의 세트들만이 도시됨)은, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 부분들이 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 세트로서 회절되도록 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 EPE 엘리먼트(188)와 교차한다. 따라서, 인-커플링된 광 빔렛들(252)의 수 및 직교 광 빔렛들(254)의 수에서의 증가는 그에 대응하여 디스플레이 스크린(110)(도 40b에 도시됨)에 의해 확장되는 출사 동공(300a)의 포화를 증가시킨다.
[00295] 특히, 도 50-51의 도파관 장치(170c)에 의한 출사 동공(300a)의 이러한 포화는, 도파관 장치(170c)에서 인-커플링된 시준된 광 빔(250)의 폭 w가 도파관 장치(170b)에서 인-커플링된 시준된 광 빔(250)의 폭 w보다 2/3 더 작으면, 도 45-46의 도파관 장치(170b)에 의한 출사 동공(300a)의 포화와 등가이다. 즉, 2차 도파관(172b)의 두께 는 단지 도파관 장치(170b)에서 인-커플링된 시준된 광 빔(250)의 폭 w에서의 감소에 비례하도록 스케일링 다운될 필요가 있다. 예컨대, 인-커플링된 광 빔(252)과 반-반사성 인터페이스(190) 사이의 동일한 최악의 입사각이 60도인 것으로 가정하면, 2차 도파관(172b)의 두께 는, 도 52에 예시된 바와 같이, 인접한 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252)의 에지들이 그 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않을 것이고, 도 53에 예시된 바와 같이, 인접한 1차 직교 광 빔렛들(254)의 에지들이 그 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않을 것이고, 따라서 인접한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 에지들이 그 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않도록 인-커플링된 광 빔(252)의 폭 w의 로 스케일링 다운될 수 있다.
[00296] 전술한 내용으로부터, 1차 도파관(172a)의 두께 t는 도 44-53에 예시된 도파관 장치들(170b, 170c)로 인-커플링된 시준된 광 빔(250)의 폭 w보다 훨씬 더 클 수 있지만, 2차 도파관(172b)의 두께 는 시준된 광 빔(250)의 폭 w보다 더 작을 수 있는 것이 인지될 수 있다. 그러나, 만약 정해진 최악의 스캐닝 각도에서, 결과적 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 중 인접한 것들의 중심들 사이의 간격들을 제거하기 위해 요구되는 2차 도파관(172b)의 두께 가 제조능력 목적에 대해 너무 작다면, 도 54 및 55의 도파관 장치(170d)에 예시된 바와 같이 1차 도파관(172a)과 2차 도파관(172b) 사이의 두께들에서의 차이가 차이 두께 와 동일하도록, 2차 도파관(172b)의 두께가 대안적으로 선택될 수 있다.
[00297] 따라서, 이 경우, 2차 도파관(172b)의 두께는 1차 도파관(172a)의 두께 t보다 약간 작도록, 즉, t - 로 선택될 수 있다. 도 54에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, IC 엘리먼트(168)는 인-커플링된 광 빔(252)을 도파관(172)에 커플링하고, 이는 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파된다. 반-반사성 인터페이스(190)는 인-커플링된 광 빔(252)을 3개의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 특히, 반-반사성 인터페이스(190)는 인-커플링된 광 빔(252)을, 축(262)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252)(제1 1차 인-커플링된 광 빔렛(252a)(실선으로 도시됨) 및 2개의 추가 인-커플링된 광 빔렛들(252b, 252c)(파선들로 도시됨))로 분할한다. 도 54에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 2개의 2차 인-커플링된 광 빔렛들(252(1)' 및 (2)')을 생성하고, 이는 축(262')(y-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 2차 도파관(172b) 내에서 전파되고, 그로부터 2개의 1차 인-커플링된 광 빔렛(252b, 252c)이 생성된다.
[00298] OPE 엘리먼트(186)는 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)을 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들로 각각 분할하도록 구성된다. 특히, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)은, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)의 일부들이 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a-254c)로서 회절되도록, 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 OPE 엘리먼트(186)와 교차한다.
[00299] 도 55에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 3개의 세트들의 직교 광 빔렛들(254a-254c)을 9개의 세트들의 직교 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 특히, 반-반사성 인터페이스(190)는 1차 직교 광 빔렛들(254a)의 세트를, 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 1차 도파관(172) 내에서 전파되는 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a)(제1 세트의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(254a)(실선으로 도시됨) 및 2개의 추가 세트들의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(254b, 254c)(파선들로 도시됨))로 분할한다. 도 55에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 2개의 세트들의 2차 인-커플링된 광 빔렛들(254(1)' 및 254(2)')을 생성하고, 이는 축(264')(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 2차 도파관(172b) 내에서 전파되고, 그로부터 2개의 세트들의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(254b, 254c)이 생성된다. 유사하게, 반-반사성 인터페이스(190)는 직교 광 빔렛들(254b)의 세트를 3개의 추가 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(미도시)로 분할하고 직교 광 빔렛들(254c)의 세트를 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 추가 세트의 1차 직교 광 빔렛들(미도시)로 분할한다.
[00300] EPE 엘리먼트(188)는 9개의 세트들의 직교 광 빔들을 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 세트로 분할하도록 구성된다. 특히, 도 55에 도시된 바와 같이, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 세트들(오직 1차 직교 광 빔렛들(254a(1)-254a(3))의 세트들만이 도시됨)은, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 부분들이 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 세트로서 회절되도록 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 EPE 엘리먼트(188)와 교차한다. 따라서, 인-커플링된 광 빔렛들(252)의 수 및 직교 광 빔렛들(254)의 수에서의 증가는 그에 대응하여 디스플레이 스크린(110)(도 40b에 도시됨)에 의해 확장되는 출사 동공(300a)의 포화를 증가시킨다.
[00301] 2차 도파관(172b)의 두께 가 도 44-53의 도파관 장치들(170b 및 170c)에 대하여 위에서 선택된 것과 동일한 방식으로, 도 54-55의 실시예에서 1차 도파관(172a)과 2차 도파관(172b) 사이의 두께 에서의 차이는, 인-커플링된 광 빔(252)과 반-반사성 인터페이스(190) 사이의 동일한 최악의 입사각이 60도인 것으로 가정하면, 차이 두께 가 인-커플링된 광 빔(252)의 폭 w의 로 선택될 수 있어서 인접한 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252) 및 인접한 1차 직교 광 빔렛들(254)의 에지들은 그 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않을 것이고, 따라서 인접한 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 에지들은 그 사이에 어떠한 갭들도 갖지 않도록 선택된다. 따라서, 이 경우, 2차 도파관(172b)의 두께는 인-커플링된 광 빔(252)의 폭 w보다 더 클 것이다.
[00302] 도 44-55에 예시된 이전 도파관 장치들(170a-170d)은 오직 하나의 2차 도파관(172b)을 포함하는 것으로 설명되었지만, 도파관 장치(170)는 다수의 2차 도파관들(172b)을 가질 수 있는 것이 인지되어야 한다. 예컨대, 도 56 및 57을 참조하면, 도파관 장치(170e)는 1차 도파관(172a) 상에 배치된 2개의 2차 도파관들(172b) 및 4개의 반-반사성 인터페이스들(190)을 포함하고, 이들 중 하나는 1차 도파관(172a)과 2차 도파관들(172b) 중 하나 사이에 배치되고, 이들 중 나머지 하나는 개개의 2차 도파관들(172b) 사이에 배치된다.
[00303] 도 56에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, IC 엘리먼트(168)는 인-커플링된 광 빔(252)을 도파관(172)에 커플링하고, 이는 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파된다. 반-반사성 인터페이스(190)는 인-커플링된 광 빔(252)을 3개의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 특히, 반-반사성 인터페이스들(190)은 인-커플링된 광 빔(252)을, 축(262)(y-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252)(제1 1차 인-커플링된 광 빔렛(252a)(실선으로 도시됨) 및 2개의 추가 인-커플링된 광 빔렛들(252b, 252c)(파선들로 도시됨))로 분할한다. 도 56에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 2개의 2차 인-커플링된 광 빔렛들(252')을 생성하고, 이는 축(262')(y-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 개개의 2개의 2차 도파관들(172b) 내에서 전파되고, 그로부터 2개의 1차 인-커플링된 광 빔렛(252b, 252c)이 생성된다.
[00304] OPE 엘리먼트(186)는 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)을 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들로 각각 분할하도록 구성된다. 광 빔렛들(252a-252c)은, 1차 인-커플링된 광 빔렛들(252a-252c)이 축(264)(x-축)에 평행한 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 도파관(172) 내에서 전파되는 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a-254c)로서 회절되도록, 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 OPE 엘리먼트(186)와 교차한다.
[00305] 도 57에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 반-반사성 인터페이스들(190)은 3개의 세트들의 직교 광 빔렛들(254a-254c)을 9개의 세트들의 직교 광 빔렛들로 분할하도록 구성된다. 특히, 반-반사성 인터페이스들(190)은 1차 직교 광 빔렛들(254a)의 세트를, 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254a)(제1 세트의 1차 직교 광 빔렛들(254a)(실선으로 도시됨) 및 2개의 추가 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(254b, 254c)(파선들로 도시됨))로 분할한다. 도 57에 도시된 바와 같이, 반-반사성 인터페이스(190)는 2개의 세트들의 2차 인-커플링된 광 빔렛들(252')을 생성하고, 이는 축(264')(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 개개의 2개의 2차 도파관들(172b) 내에서 전파되고, 그로부터 2개의 1차 직교 광 빔렛(252b, 252c)이 생성된다. 유사하게, 반-반사성 인터페이스(190)는 직교 광 빔렛들(254b)의 세트를 3개의 추가 세트들의 1차 직교 광 빔렛들(미도시)로 분할하고 직교 광 빔렛들(254c)의 세트를 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로들을 따라 1차 도파관(172a) 내에서 전파되는 3개의 추가 세트의 1차 직교 광 빔렛들(미도시)로 분할한다. 일부 실시예들에서, 2개의 2차 도파관들(172b)은 상이한 두께들일 수 있다. 게다가, 도 44-55를 참조로 위에서 설명된 것들과 유사한 이유들 때문에, 일부 예들에서, 이 상이한 두께들은 서로의 비-배수들일 수 있다. 또한, 1차 도파관(172a)의 두께는 2개의 2차 도파관들(172b)의 2개의 상이한 두께들 중 하나 또는 둘 모두의 비-배수일 수 있는 것이 된다. 다른 실시예들에서, 2개의 2차 도파관들(172b)은 동일한 두께일 수 있다.
[00306] EPE 엘리먼트(188)는 9개의 세트들의 직교 광 빔들을 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 세트로 분할하도록 구성된다. 특히, 도 57에 도시된 바와 같이, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 세트들(오직 1차 직교 광 빔렛들(254a(1)-254a(3))의 세트들만이 도시됨)은, 1차 직교 광 빔렛들(254)의 부분들이 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 세트로서 회절되도록 도파관(172)의 면(180b)에 인접한 EPE 엘리먼트(188)와 교차한다. 따라서, 인-커플링된 광 빔렛들(252)의 수 및 직교 광 빔렛들(254)의 수에서의 증가는 그에 대응하여 디스플레이 스크린(110)(도 40b에 도시됨)에 의해 확장되는 출사 동공(300a)의 포화를 증가시킨다. 도 56 및 57에 예시된 도파관 장치(170e)는 2개의 2차 도파관들(172b)을 포함하는 것으로 위에서 설명되었지만, 도파관 장치(170e) 및 본원에서 설명된 다른 것들은 적어도 2개의(예컨대, 3개, 4개, 5개 또는 그 초과의) 2차 도파관들(172b)을 가질 수 있는 것이 인지되어야 한다.
[00307] 이전 실시예들에서, 시준 엘리먼트(154)에 의해 출력된 시준된 광 빔의 입사 동공은 디스플레이 스크린(110)의 오직 OPE 엘리먼트(186)와 EPE 엘리먼트(188)의 조합에 의해서만 확장되고, 디스플레이 스크린(110)의 출사 동공의 포화를 증가시키기 위해 OPE 엘리먼트(186) 및 EPE 엘리먼트(188)와 밀접하게 연관된 특징들을 포함한다. 본원에서 후속적으로 설명된 디스플레이 서브시스템(104')의 실시예들에서, 이미지 투사 어셈블리(108)는, 도 58에 예시된 실시예에서, 디스플레이 스크린(110)의 시준 엘리먼트(166)와 IC 엘리먼트(168) 사이에 배치된 PPE(pre-pupil expansion)(192)를 더 포함한다.
[00308] PPE(192)는 제1 동공 확장 스테이지를 표현하고, 디스플레이 스크린(110)의 도파관 장치(170)로 인-커플링하기 전에 시준된 광 빔(250)의 입사 동공을 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 세트(이 경우, 2 차원 3 × 3 어레이)의 중간 출사 동공(300a)으로 사전-확장하기 위해 하나 이상의 빔-증배 기법들을 사용하도록 설계되고(이는 도 59a에 예시된 바와 같이 더 큰 동공 사이즈를 갖는 종래의 시준된 광 빔을 입력하는 것을 에뮬레이트함), 디스플레이 스크린(110)은 제2 동공 확장 스테이지를 표현하며, 이는 종래의 방식으로, 도 59b에 예시된 바와 같이, 시준된 광 빔(250)의 동공 사이즈를 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 세트(이 경우, 2 차원 9 × 9 어레이)의 최종 출사 동공(300b)으로 추가로 확장한다.
[00309] 대안적 실시예들에서, 디스플레이 스크린(110)은 앞서 언급된 향상된 빔 증배 기법들을 사용하여 시준된 광 빔(250)의 동공 사이즈를 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 훨씬 더 많은 포화된 세트의 출사 동공으로 추가로 확장할 수 있다. 그러나, PPE(192)의 사용은 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)의 입사 동공 사이즈에 비례하는 출사 동공으로의 확장을 위해 종래의 PE로의 입력에 대한 정상 동공 사이즈의 광 빔들로 확장될 수 있는 비교적 작은 동공 사이즈의 광 빔들을 출력하는 미니어처-스케일 이미지 디바이스들에 매우 적합한 것이 인지되어야 한다. 예컨대, PPE(192)는 시준된 빔의 입사 동공을 입사 동공(예컨대, 50 mil 동공 사이즈)보다 적어도 10배 더 큰 사전-확장된 동공(예컨대, 적어도 0.5 mm 동공)으로 확장할 수 있고, 디스플레이 스크린(110)의 도파관 장치(170)는 시준된 광 빔(250)의 사전-확장된 동공을 시준된 광 빔(250)의 사전-확장된 동공보다 적어도 10배 더 큰 출사 동공(예컨대, 적어도 5 mm 동공)으로 추가로 확장할 수 있다. 다중-스테이지 동공 확장 시스템을 활용함으로써, 시준된 빔의 비교적 작은 동공을 비교적 크고 포화된 출사 동공으로 확장하는 것과 연관된 제조 제약들이 단지 하나의 동공 확장 디바이스에 부과될 필요가 없고, 오히려 다수의 확장 디바이스들 사이에 분배되어, 전체 시스템의 제조를 가능하게 할 수 있다.
[00310] 이제 도 60-63을 참조하면, 디스플레이 서브시스템(104')의 일부 실시예들은 도 34-36에 예시된 상술된 도파관 장치(170)를 포함하는 종래의 PE, 및 예시된 실시예에서 IC 엘리먼트(168)에 장착된 도파관 장치(170)의 미니-버전의 형태를 취하는 PPE(192a)를 활용한다.
[00311] 이를 위해, PPE(192a)는 1차 도파관 장치(170)의 IC 엘리먼트(168)의 사이즈에 비례하는 사이즈를 갖는 도파관 장치(170')의 형태를 취한다. 디스플레이 스크린(110)의 1차 도파관 장치(170)에 대해, 미니-도파관 장치(170')는 단일의 유니터리 기판 또는 광학적으로 투명한 재료의 평면의 형태를 취하는(도파관(172)과 관련하여 앞서 설명된 바와 같음) 평면 광 도파관(172'), 및 도파관(172') 내로 광학적으로 커플링된 시준된 광 빔(250)의 유효 출사 동공을 2 차원적으로 사전-확장시키기 위해 도파관(172')과 연관된 하나 이상의 DOE들(174')을 포함한다. PPE(192a)는 면(180b')을 통해 시준 엘리먼트(166)로부터의 시준된 광 빔(250)을 도파관(172') 내로 수용하기 위해 도파관(172')의 면(180b) 상에 배치된 IC 엘리먼트(168')를 더 포함하지만, 대안적 실시예들에서, IC 엘리먼트(168')는 인-커플링된 광 빔으로서 시준된 광 빔(250)을 도파관(172) 내로 커플링시키기 위해 다른 면(180a') 또는 심지어 도파관(172')의 에지 상에 배치될 수 있다. DOE(들)(174')은, 앞서 간략히 논의된 바와 같이, 도파관(172') 내로 광학적으로 커플링된 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 2 차원적으로 사전-확장시키기 위해, 도파관(172')과 연관된다(예컨대, 도파관(172') 내에 통합되거나 또는 도파관(172')의 면들(180a', 180b') 중 하나 이상에 근접하거나 인접함).
[00312] 이를 위해, DOE(들)(174)은 인-커플링 광 빔(252)을 한 세트의 초기 직교 광 빔렛들(254')로 분할하기 위한 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트(186), 및 각각의 초기 직교 광 빔렛들(254')을 도파관(172')의 면(180b')을 출사하는 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할하기 위한 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트(188')를 포함한다. 도 60-63에 예시된 특정 실시예에서, OPE 엘리먼트(186') 및 EPE 엘리먼트(188')는 x-y 평면에서 서로 완벽하게 오버랩하고, 따라서, OPE 엘리먼트(186')는 도파관(172')의 면(180a) 상에 배치되고, EPE 엘리먼트(188')는 도파관(172')의 면(180b) 상에 배치된다. 대안적으로, OPE 엘리먼트(186') 및 EPE 엘리먼트(188')는 x-y 평면에서 전혀 오버랩하지 않을 수 있고, 이 경우, PE 엘리먼트(186')와 EPE 엘리먼트(188') 둘 모두는 도파관(172')의 동일한 면(180b) 상에 배치될 수 있다.
[00313] OPE 엘리먼트(186')는 제1 축(도 60의 수평 또는 x-축)을 따라 광을 중계하고, 제2 축(도 60의 수직 또는 y-축)을 따라 광의 유효 출사 동공을 사전-확장시킨다. 특히, 도 61에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, IC 엘리먼트(168')는, 내반사성 광학 경로(262)를 따라(이 경우, 수직 또는 y-축을 따라) TIR을 통한 도파관(172') 내에서의 전파를 위해, 인-커플링된 광 빔(252')으로서 시준된 광 빔(250)을 광학적으로 인-커플링시키고, 그렇게 함으로써, OPE 엘리먼트(186')와 반복적으로 교차한다. 예시된 실시예에서, OPE 엘리먼트(186')는 비교적 낮은 회절 효율성(예컨대, 50% 미만)을 갖고, 일련의 대각선 회절 엘리먼트들(x-축에 대해 45도)을 포함하고, 그에 따라, OPE 엘리먼트(186')와의 각각의 교차점에서, 인-커플링된 광 빔(252')의 일부(예컨대, 90% 초과)는 축(262)(y-축)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 도파관(172') 내에서 계속해서 전파하며, 인-커플링된 광 빔(252')의 남아있는 부분(예컨대, 10% 미만)은 EPE 엘리먼트(188')를 향해 축(264)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라(이 경우, 수평 또는 x-축을 따라) TIR을 통해 도파관(172') 내에서 전파하는 초기 직교 광 빔렛(254')(도 61에서 파선으로 도시됨)으로서 회절된다. 축(264)이 축(262)(y-축)에 수직이거나 또는 직교하는 것으로 설명되지만, 축(264)은 대안적으로, 축(262)에 대하여 비스듬히 배향될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[00314] 따라서, 평행한 내반사성 광학 경로들(264)을 따라 전파하는 다수의 초기 직교 광 빔렛들(254')로 인-커플링된 광 빔(252')을 분할함으로써, 미니-도파관 장치(170') 내로 인-커플링된 시준된 광 빔(250)의 입사 동공은 OPE 엘리먼트(186')에 의해 y-축을 따라 수직으로 사전-확장된다.
[00315] EPE 엘리먼트(188')는, 결국, 제1 축(도 62의 수평 x-축)을 따라 광의 유효 동공을 추가로 사전-확장시킨다. 특히, 도 62에 예시된 바와 같이, OPE 엘리먼트(186')와 마찬가지로, EPE 엘리먼트(188')는 비교적 낮은 회절 효율성(예컨대, 50% 미만)을 갖고, 그에 따라, EPE 엘리먼트(188')와의 각각의 교차점에서, 각각의 초기 직교 광 빔렛(254')의 부분(예컨대, 90% 초과)은 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 계속해서 전파하며, 각각의 초기 직교 광 빔렛(254')의 남아있는 부분은 (z-축을 따라) 도파관(172')의 면(180b')을 출사하는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256')으로서 회절된다. 즉, 광 빔렛이 EPE 엘리먼트(188')에 충돌할 때마다, 이의 일부는 도파관(172')의 면(180b)을 향해 회절될 것인 한편, 남아있는 부분은 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 내반사성 광학 경로를 따라 계속해서 전파할 것이다.
[00316] 따라서, 다수의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 각각의 초기 직교 광 빔렛(254')을 분할함으로써, 인-커플링된 광 빔(252)의 출사 동공은 EPE 엘리먼트(188')에 의해 x-축을 따라 수평으로 추가로 사전-확장되어, 오리지널 인-커플링된 광 빔(252)의 더 큰 버전과 유사한 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이를 산출한다.
[00317] 도 34-36과 관련하여 앞서 설명된 바와 동일한 방식으로, 1차 도파관 장치(170)는 시준된 광 빔(250)의 동공을 2 차원적으로 추가로 확장시킨다. 즉, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')은 인-커플링된 광 빔렛들(252(1)-252(4))로서 1차 도파관 장치(170)의 IC 엘리먼트(168) 내로 입력되고, 이들은 차례로, 직교 광 빔렛들의 4개의 세트들(254(1)-254(4))로 OPE 엘리먼트(186)에 의해 분할되고, 이들은 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)을 향해 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로 EPE 엘리먼트(188)에 의해 추가로 분할된다.
[00318] 따라서, 도 63에 예시된 바와 같이, 단일의 시준된 광 빔(250)은 OPE 엘리먼트(186')에 의해 4개의 초기 직교 광 빔렛들(254')의 1 차원 어레이로 분할되고, 이는 EPE 엘리먼트(188')에 의해 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 4 × 4 어레이로 추가로 분할되고, 이는 OPE 엘리먼트(174')에 의해 직교 광 빔렛들(254)의 2 차원 4 × 16 어레이로 추가로 분할되며, 이는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 16 × 16 어레이로 추가로 분할된다. 인지될 수 있는 바와 같이, PPE(192a)(즉, 미니-도파관 장치(170'))의 사용은 디스플레이 스크린(110)의 출사 동공의 포화를 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 4 × 4 어레이로부터 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 16 × 16 어레이로 증가시킨다. 물론, PPE(192a)는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 더 작거나 또는 더 큰 어레이들, 예컨대 2 × 2 어레이, 3 × 3 어레이, 5 × 5 어레이 등을 생성하도록 설계될 수 있고, 심지어, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 비-정사각형 매트릭스, 예컨대 2 × 3 어레이, 3 × 2 어레이, 3 × 4 어레이, 4 × 3 어레이 등을 생성하도록 설계될 수 있다. 중요하게도, 1차 도파관 장치(170)의 도파관(172)의 두께는 미니-도파관 장치(170')의 도파관(172')의 두께보다 더 두꺼울 것이다. 이 경우, 예시의 단순성을 목적으로, 1차 도파관(172)의 두께는 2차 도파관(172')의 두께의 4배이다. 그러나, 도 44-57의 실시예들에 대하여 앞서 논의된 바와 같이, 도파관들(172, 172')의 개개의 두께 값들의 최소 공배수를 최대화함으로써, 가장 넓은 스캔 각도에 대해 산출된 출사 동공들의 양을 최대화하고, 또한, 인접한 아웃-커플링된 빔렛들(256) 사이의 코히어런트 광 상호작용에 의해 생성되는 역효과들을 최소화할 수 있는, 아웃-커플링된 빔렛들(256)의 불균일한/복잡한 분배를 산출하는 것이 유익할 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[00319] 이제 도 64-66을 참조하면, 디스플레이 서브시스템(104')의 다른 실시예는, 도 34-36에 예시된 상술된 도파관 장치(170)를 포함하는 종래의 PE 및 PPE(192b)를 활용하며, PPE(192b)는, PPE(192a)와 마찬가지로, PPE(192b) 내로 광학적으로 커플링된 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 2 차원적으로 사전-확장시키지만, PPE(192a)와 달리, 도파관이 아니라 어댑터의 형태를 취한다.
[00320] 특히, PPE(192b)는 시준된 광 빔(250)을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할하는 단일의 DOE를 활용하는 회절 빔 분할기(194)를 포함한다. 도 65 및 66에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 회절 빔 분할기(194)는 대향 제1 및 제2 면들(196a, 196b)을 갖는 광학 평면형 기판(196), 및 기판(196)의 면들(196a, 196b) 중 하나, 이 경우, 면(196b)과 연관된 회절 격자(198)를 포함한다. 회절 격자(198)는 기판(196)의 면(196a)에 들어가는 시준된 광 빔(250)을 발산 각도들로 기판(196)의 면(196b)을 출사하는 한 세트의 발산 광 빔렛들(254')로 분할한다.
[00321] 회절 격자(198)는 단일의 시준된 광 빔(250)으로부터 홀수의 발산 광 빔렛들(254')을 생성하거나, 또는 단일의 시준된 광 빔(250)으로부터 짝수의 발산 광 빔렛들(254')을 생성하도록 설계될 수 있다. 중요하게도, 시준된 광 빔(250)이 회절 격자(198)와 교차할 때, 빔렛들은 상이한 회절 차수들로 생성된다. 예컨대, 도 67a에 예시된 바와 같이, 하나의 회절 격자(198')는 시준된 광 빔(250)을 5개의 회절 차수들(-2, -1, 0, +1, +2)에 각각 대응하는 5개의 발산 광 빔렛들(254')로 분할하도록 설계되며, 각각의 발산 광 빔렛(254')은 분리 각도(θs)에 의해 인접한 발산 광 빔렛(254')으로부터 분리된다. 도 67b에 예시된 바와 같이, 다른 회절 격자(198")는 시준된 광 빔(250)을 4개의 회절 차수들(-3, -1, +1, +3)에 각각 대응하는 4개의 발산 광 빔렛들(254')로 분할하도록 설계되며, 각각의 발산 광 빔렛(256')은 분리 각도(2θs)에 의해 인접한 발산 광 빔렛(256')으로부터 분리된다.
[00322] 회절 격자(198)는 시준된 광 빔(250')을 발산 광 빔렛들(254')의 1 차원 어레이 또는 발산 광 빔렛들(254')의 2 차원(M × N) 어레이로 분할할 수 있다. 도 64-66에 예시된 실시예에서, 회절 격자는 시준된 광 빔(250)을 발산 광 빔렛들(254')의 4 × 4 어레이로 분할한다. 물론, PPE(192b)는 발산 광 빔렛들(254')의 더 작거나 또는 더 큰 어레이들, 예컨대 1 × 2 어레이, 2 × 1 어레이, 2 × 2 어레이, 3 × 3 어레이, 5 × 5 어레이 등을 생성하도록 설계될 수 있고, 심지어, 발산 광 빔렛들(254')의 비-정사각형 2 차원 어레이들, 예컨대 2 × 3 어레이, 3 × 2 어레이, 3 × 4 어레이, 4 × 3 어레이 등을 생성하도록 설계될 수 있다.
[00323] 중요하게도, PPE(192b)는 시준된 광 빔(250)에 대한 확장을 보존하는 각도를 적용한다. 즉, PPE(192b)는 기판(196)의 면(196b)을 출사하는 세트의 발산 광 빔렛들(254')을 시준된 광 빔(250')의 오리지널 각도로 다시 구부린다. 이를 위해, PPE(192b)는 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로서 발산 광 빔렛들(254')을 다시 시준된 광 빔(250')의 오리지널 각도로 재포커싱하는 렌즈(200)(이 실시예에서, 회절 렌즈)를 포함한다. 회절 렌즈(200)가 IC 엘리먼트(168)와 별개인 것으로 예시되지만, 회절 렌즈(200)의 기능은 IC 엘리먼트(168)에 통합될 수 있다.
[00324] PPE(192b)가 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 2 차원적으로 사전-확장시킨다는 것이 상술된 바로부터 인지될 수 있다. 도 34-36과 관련하여 앞서 설명된 바와 동일한 방식으로, 1차 도파관 장치(170)는 시준된 광 빔(250)의 동공을 2 차원적으로 추가로 확장시킨다. 즉, 도 64-66에 예시된 바와 같이, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 4 × 4 어레이는 인-커플링된 광 빔렛들(252(1)-252(4)만 도시됨)로서 1차 도파관 장치(170)의 IC 엘리먼트(168) 내로 입력되고, 이들은 차례로, 직교 광 빔렛들(254)의 4 × 4 어레이(254(1)-254(4)만 도시됨)로 OPE 엘리먼트(186)에 의해 분할되고, 이들은 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)을 향해 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로 EPE 엘리먼트(188)에 의해 추가로 분할된다. 특히, 도 67a의 실시예에서의 분리 각도(θs) 또는 도 67b에서의 분리 각도(2θs)가 선택될 것이고, 그에 따라, 렌즈(200)와의 교차부에서의 인접한 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256') 사이의 분리 거리(s)는 1차 도파관 장치(170)를 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 원하는 간격들과 동일하게 될 것이다.
[00325] 이제 도 68-73을 참조하면, 디스플레이 서브시스템(104)의 또 다른 실시예는, 도 34-36에 예시된 상술된 도파관 장치(170)를 포함하는 종래의 PE 및 PPE(192c)를 활용하며, PPE(192c)는, PPE(192a)와 마찬가지로, PPE(192c) 내로 광학적으로 커플링된 시준된 광 빔(250)의 유효 출사 동공을 2 차원적으로 사전-확장시키지만, PPE(192a)와 달리, 도파관이 아니라 프리즘의 형태를 취한다.
[00326] 도 71-73에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, PPE(192c)는, 예시된 실시예에서 제1 면(202a) 및 제2 면(202b)을 갖는 직육면체의 형태를 취하는 광학적으로 투명한 프리즘 몸체(202), 및 프리즘 몸체(202)의 내부에 배치된 복수의 프리즘 평면들(204)을 포함한다. 복수의 프리즘 평면들(204)은 제1 면(202a)에 대해 비스듬한 각도로(이 경우, 45도 각도로) 배치된 제1 세트의 병렬 프리즘 평면들(204a), 및 제2 면(202b)에 대해 비스듬한 각도로(이 경우, 45도 각도로) 있는 제2 세트의 병렬 프리즘 평면들(204b)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 제1 세트의 병렬 프리즘 평면들(204a)은 2개의 프리즘 평면들(202a(1) 및 202a(2))로 이루어지며, 제2 세트의 병렬 프리즘 평면들(204b)은 2개의 프리즘 평면들(202b(1) 및 202b(2))로 이루어지지만, 대안적 실시예들에서, 병렬 프리즘 평면들(204)의 각각의 세트는 2개 초과의 프리즘 평면들로 이루어질 수 있다.
[00327] 프리즘 몸체(202)는 프리즘 몸체(202) 전체를 생성하도록 함께 본딩된 프리즘 섹션들(206a-202f)을 포함한다. 프리즘 평면(204a(1))은 프리즘 섹션들(206a 및 206b) 사이의 인터페이스에 형성되고; 프리즘 평면(204a(2))은 프리즘 섹션들(206b 및 206c) 사이의 인터페이스에 형성되고; 프리즘 평면(204b(1))은 프리즘 섹션들(206d 및 206e) 사이의 인터페이스에 형성되고; 그리고 프리즘 평면(204b(2))은 프리즘 섹션들(206e 및 206f) 사이의 인터페이스에 형성된다.
[00328] 프리즘 평면들(204)은 프리즘 몸체(202)의 제1 면(202a)에 들어가는 시준된 광 빔(250)을, 프리즘 몸체(202)의 제2 면(202b)을 출사하는 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')(그리고 이 경우, 광 빔렛들(256')의 2 × 2 어레이)로 분할하도록 구성된다.
[00329] 이를 위해, 프리즘 평면들(204a(1) 및 204b(1)) 각각은, 반-반사성 코팅, 이를테면, 예컨대, 금속, 이를테면 골드, 알루미늄, 실버, 니켈-크롬, 크롬 등, 유전체, 이를테면 산화물들, 불화물들, 황화물들 등, 반도체, 이를테면 실리콘 게르마늄 등, 및/또는 반사 특성들을 갖는 아교 또는 접착제로 구성된 것으로 형성되며, 이는 임의의 적절한 프로세스, 이를테면 PVD(physical vapor deposition), IAD(ion-assisted deposition), IBS(ion beam sputtering) 등을 통해 인접한 프리즘 섹션들(206) 사이에 배치될 수 있다. 반-반사성 코팅의 반사 대 투과의 비율은 코팅의 두께에 적어도 부분적으로 기초하여 선택 또는 결정될 수 있거나, 또는 반-반사성 코팅은 반사 대 투과의 비율을 제어하기 위해 복수의 작은 천공들을 가질 수 있다. 따라서, 프리즘 평면들(204a(1) 및 204b(1)) 각각은, 광 빔의 일부를 반사하고 광 빔의 남아있는 부분을 투과시킴으로써, 광 빔을 분할할 것이다. 대조적으로, 프리즘 평면들(204a(2) 및 204b(2)) 각각은 바람직하게, 완전히 반사성인 코팅으로 형성되며, 이는 반-반사성 코팅과 동일한 재료로 구성될 수 있다. 그러나, 코팅의 두께는 프리즘 평면들(204a(2) 및 204b(2))이 완전히 반사성이도록 선택될 수 있다.
[00330] 대안적 실시예에서, 인접한 프리즘 섹션들(206)은 상이한 굴절률들을 갖는 재료들로 구성될 수 있고, 그에 따라, 개개의 프리즘 섹션들(206) 사이의 프리즘 평면(204)은, 임계 각도 미만으로 반-반사성 인터페이스 상에 입사하는 광에 대해, 반-반사성이거나(프리즘 평면들(204a(1) 또는 204b(1))의 경우) 또는 완전히 반사성이다(프리즘 평면들(204a(2) 및 204b(2)의 경우). 임의의 이벤트에, 각각의 프리즘 평면(204)은, 프리즘 평면(204) 상에 입사하는 광 빔의 각도가 보존되도록, 바람직하게 설계된다.
[00331] 도 72에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 제1 세트의 프리즘 평면들(204a)은 제1 축(수평 또는 x-축)을 따라 광을 중계하고, 제2 축(수직 또는 y-축)을 따라 광의 유효 출사 동공을 사전-확장시킨다. 특히, 제1 세트의 프리즘 평면들(204a)은 프리즘 몸체(202)의 제1 면(202a)에 들어가는 시준된 광 빔(250)을 2개의 직교 광 빔렛들(254(1)' 및 254(2)')로 분할하고, 이들 광 빔렛들(254')을 제2 세트의 프리즘 평면들(204b)을 향해 제1 방향으로 반사한다. 즉, 시준된 광 빔(250)의 일부는 직교 광 빔렛(254(1)')으로서 프리즘 평면(204a(1))에 의해 반사되고, 시준된 광 빔(250)의 남아있는 부분은 직교 광 빔렛(254(2)')으로서의 반사를 위해 프리즘 평면(204a(1))에 의해 프리즘 평면(204a(2))으로 투과된다.
[00332] 도 73에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 제2 세트의 프리즘 평면들(204b)은, 차례로, 제2 축(수평 또는 x-축)을 따라 광의 유효 출사 동공을 추가로 사전-확장시킨다. 특히, 제2 세트의 프리즘 평면들(204b)은 직교 광 빔렛들(254') 각각을 2개의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할하고, 이들 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 프리즘 바디(202)의 제2 면(202b) 밖으로 반사시키지만, 제2 방향은 제1 방향에 비-직교할 수 있다. 즉, 직교 광 빔렛(254(1)')의 일부는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256(1)')으로서 프리즘 평면(204b(1))에 의해 반사되고, 직교 광 빔렛(254(1)')의 남아있는 부분은 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256(2)')으로서의 반사를 위해 프리즘 평면(204b(1))에 의해 프리즘 평면(204b(2))으로 투과된다. 마찬가지로, 직교 광 빔렛(254(2)')의 일부는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256(3)')으로서 프리즘 평면(204b(1))에 의해 반사되고, 직교 광 빔렛(254(2)')의 남아있는 부분은 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256(4)')으로서의 반사를 위해 프리즘 평면(204b(1))에 의해 프리즘 평면(204b(2))으로 투과된다. 따라서, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 × 2 어레이는 프리즘 몸체(202)의 제2 면(202b)을 출사한다.
[00333] PPE(192c)가 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 2 차원적으로 사전-확장시킨다는 것이 상술된 바로부터 인지될 수 있다. 도 34-36과 관련하여 앞서 설명된 바와 동일한 방식으로, 1차 도파관 장치(170)는 시준된 광 빔(250)의 동공을 2 차원적으로 추가로 확장시킨다. 즉, 도 68-70에 예시된 바와 같이, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')은 인-커플링된 광 빔렛들의 2 × 2 어레이(252(1)-252(2)만 도시됨)로서 1차 도파관 장치(170)의 IC 엘리먼트(168) 내로 입력되고, 이들은 차례로, 직교 광 빔렛들의 4개의 세트들(254(1)-254(2)만 도시됨)로 OPE 엘리먼트(186)에 의해 분할되고, 이들은 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)을 향해 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로 EPE 엘리먼트(188)에 의해 추가로 분할된다.
[00334] 프리즘 평면들(204) 사이의 거리(d)는, 인접한 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256') 사이의 거리(s)가, 1차 도파관 장치(170)를 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 원하는 간격들과 동일하게 되도록, 바람직하게 선택된다. 예시된 실시예에서, 프리즘 평면들(204)은 프리즘 몸체(202)의 면들(202a, 202b)에 대해 45도 각도로 배향되고, 따라서, 거리(d)는 다음과 같이 d = s*sin 45°로 거리(s)의 함수로써 표현될 수 있다. 1차 도파관 장치(170) 내의 도파관(172)의 두께는 PPE(192c)의 병렬 프리즘 평면들(204)의 각각의 세트에서의 프리즘 평면들(204) 사이의 거리(d)의 배수들(이 경우, 병렬 프리즘 평면들(204) 사이의 거리(d)의 2배)일 수 있고, 그에 따라, 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 채우기가 가능하게 된다.
[00335] 도 74 및 75에 예시된 바와 같이, 프리즘 몸체(202)의 사이즈에 대하여 PPE(192c)의 병렬 프리즘 평면들(204)의 각각의 세트에서의 프리즘 평면들(204) 사이의 거리를 감소시킴으로써, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 더 큰 어레이들이 생성될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[00336] 예컨대, 도 74에 예시된 바와 같이, 제1 세트의 프리즘 평면들(204a)은 프리즘 몸체(202)의 제1 면(202a)에 들어가는 시준된 광 빔(250)을 3개의 직교 광 빔렛들(254(1)'-254(3)')로 분할할 수 있고, 이들 광 빔렛들(254')을 제2 세트의 프리즘 평면들(204b)을 향해 반사한다. 즉, 시준된 광 빔(250)의 일부는 직교 광 빔렛(254(1)')으로서 프리즘 평면(204a(1))에 의해 반사되고, 시준된 광 빔(250)의 남아있는 부분은 프리즘 평면(204a(1))에 의해 프리즘 평면(204a(2))으로 투과되며, 여기서, 이는 프리즘 평면(204a(1) 및 204a(2)) 사이에서 반복적으로 반사되고, 이의 부분들은 직교 광 빔렛들(254(2)' 및 254(3)')로서 프리즘 평면(204a(1))을 통해 다시 투과될 것이다.
[00337] 도 75에 예시된 바와 같이, 제2 세트의 프리즘 평면들(204b)은 직교 광 빔렛들(254') 각각을 3 개의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할하고, 이들 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 프리즘 몸체(202)의 제2 면(202b)에서 반사시킨다. 따라서, 3 × 3 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')이 프리즘 몸체(202)의 제2 면(202b)을 출사한다. 즉, 각각의 직교 광 빔렛(254)의 일부는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256(1)')으로서 프리즘 평면(204b(1))에 의해 반사되고, 이 직교 광 빔렛(254')의 남아있는 부분은 프리즘 평면(204b(1))에 의해 프리즘 평면(204b(2))으로 송신되며, 여기서, 그것은 프리즘 평면(204b(1))과 프리즘 평면(204b(2)) 사이에서 반복적으로 반사되고, 그 부분들은 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(2)' 및 256(3)')로서 프리즘 평면(204b(1))을 통해 다시 송신될 것이다.
[00338] 다시, 프리즘 평면들(204) 간의 거리(d)는 바람직하게는, 인접한 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256') 간의 거리(s)가 1차 도파관 장치(170)를 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 원하는 간격들과 동일하도록 선택된다. 예시된 실시예에서, 프리즘 평면들(204)은 프리즘 몸체(202)의 면들(202a, 202b)에 대해 45도 각도로 배향되며, 따라서 거리(d)는 다음과 같이 거리(s)의 함수로써 표현될 수 있다: d=s*sin 45°.
[00339] 따라서, 각각의 직교 광 빔렛(254)에 대해, 3 개의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')이 생성되어, 이로써 프리즘 몸체(202)의 제2 면(202b)을 출사하는 3 × 3 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')이 생성될 것이다. 물론, PPE(192c)는, 프리즘 몸체(202)의 사이즈에 대해 PPE(192c)의 각각의 세트의 병렬 프리즘 평면들(204)의 프리즘 평면들(204) 간의 거리를 추가로 감소시킴으로써, 훨씬 더 큰 어레이들, 예컨대, 4 × 4 어레이, 5 × 5 어레이 등의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 생성하도록 설계될 수 있다.
[00340] PPE(192c)가 정사각형 어레이들의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 생성한 것으로서 설명되었지만, PPE(192c)는 대안적으로, 프리즘 평면들(204b(1) 및 204b(2)) 간의 거리와 프리즘 평면들(204a(1) 및 204a(2)) 간의 거리를 상이하게 함으로써, 비-정사각형 어레이들, 예컨대, 2 × 3 어레이, 3 × 2 어레이, 2 × 3 어레이, 3 × 2 어레이 등의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 생성하도록 설계될 수 있다. 또한, PPE(192c)가 2 차원 어레이들의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 생성하는 것으로서 설명되었지만, PPE(192c)는 단 한 세트의 병렬 프리즘 평면들(204)을 이용하여 PPE(192c)를 설계함으로써 1 차원 어레이들, 예컨대, 1 × 2 어레이, 1 × 3 어레이 등의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 생성하도록 설계될 수 있다.
[00341] 또한, PPE(192c)가 프리즘 몸체(202)의 면(202b)에 직교 각도로 프리즘 몸체(202)를 출사하는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 생성하는 것으로서 설명되었지만, PPE(192c)는, 프리즘 몸체(202)의 면(202b)에 대해 세트들의 프리즘 평면들(204) 중 하나 또는 둘 다의 배향들을 변경시킴으로써, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')이 프리즘 몸체(202)의 면(202b)에 대해 비스듬한 각도로 프리즘 몸체(202)를 출사하도록 설계될 수 있다.
[00342] 이제, 도 76-79를 참조하면, 디스플레이 서브시스템(104')의 또 다른 실시예는, 도 34-36에 예시된 상술된 도파관 장치(170)를 포함하는 종래의 PE, 그리고 PPE(192c)처럼 프리즘 형태를 취하지만, PPE(192c)와 달리 캐비티 프리즘을 활용하는 PPE(192e)를 활용하며, 이 캐비티 프리즘은, 솔리드 프리즘과 대조적으로, PPE(192e)에 광학적으로 커플링된 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 1 차원적으로 사전-확장한다.
[00343] 도 79에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, PPE(192e)는 제1 삼각형 프리즘 섹션(210a) 및 제 2 삼각형 프리즘 섹션(210b)을 포함하는 광학적으로 투명한 캐비티 프리즘(208)을 포함한다. 프리즘 섹션들(210a, 210b)은 서로 이격되어, 일측에서는 프리즘 섹션(210a)의 프리즘 평면(212a)에 의해 그리고 다른 측에서는 프리즘 섹션(210b)의 프리즘 평면(212b)에 의해 바인딩되는 개방 공간(212)이 이 프리즘 섹션들(210a, 210b) 사이에 형성되는데, 이때, 프리즘 평면들(212a, 212b)은 서로 평행하다. 제 1 프리즘 섹션(210a)은 프리즘 평면(212a)에 대향하는 제1 면(214a) 및 제2 면(214b)을 갖는다. 프리즘 평면(212a)은 제1 및 제2 면들(214a, 214b)에 대해 비스듬한 각도(이 경우, 45도 각도)로 배치된다.
[00344] 프리즘 평면들(212)은 프리즘 섹션(210)의 제1 면(202a)에 들어가는 시준된 광 빔(250)을, 제1 프리즘 섹션(210a)의 제2 면(214b)을 출사하는 한 세트의 초기 광 빔렛들(256')(이 경우, 1 × 4 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256))로 분할하도록 구성된다. 이를 위해, 제1 프리즘 평면(212a)은 부분적으로 반사성이 되도록 설계되는 반면, 제2 프리즘 평면(212b)은 위에서 설명된 PPE(192c)의 프리즘 평면들(204)이 부분적으로 반사성이 되거나 또는 완전히 반사성이 되도록 설계되는 것과 동일한 방식으로 완전히 반사성이 되도록 설계된다. 각각의 프리즘 평면(212)은 바람직하게는, 프리즘 평면(212) 상에 입사하는 광 빔의 각도가 보존되도록 설계된다.
[00345] 도 79에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, PPE(192c)는 제1 축(수평 또는 x-축)을 따라 광의 유효 출사 동공을 1 차원적으로 사전-확장한다. 특히, 세트의 프리즘 평면들(212)은 시준된 광 빔(250)을 4 개의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할하고, 이들 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 프리즘 섹션(210b)의 제2 면(214b)에서 반사시킨다. 따라서, 1 × 4 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')이 프리즘 몸체(210)의 제2 면(214b)을 출사한다. 즉, 시준된 광 빔(250)의 일부는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256(1)')으로서 프리즘 평면(212a)에 의해 반사되고, 이 시준된 광 빔(250)의 남아있는 부분은 프리즘 평면(212b)에 의해 프리즘 평면(212a)으로 송신되며, 여기서, 그것은 프리즘 평면(212a)과 프리즘 평면(212b) 사이에서 반복적으로 반사되고, 그 부분들은 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(2)' 및 256(4)')로서 프리즘 평면(212a)을 통해 다시 송신될 것이다. 물론, PPE(192e)는, 프리즘(208)의 사이즈에 대해 프리즘 평면들(212) 간의 거리를 감소시키거나 또는 증가시킴으로써, 더 작은 또는 더 큰 1 차원 어레이들, 예컨대, 1 × 2 어레이, 1 × 3 어레이, 1 × 5 어레이 등의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 생성하도록 설계될 수 있다.
[00346] 전술한 바로부터, PPE(192e)는 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 1 차원적으로 사전-확장한다는 것이 인지될 수 있다. 도 34-36과 관련하여 앞서 설명된 바와 동일한 방식으로, 1차 도파관 장치(170)는 시준된 광 빔(250)의 동공을 추가로 2 차원적으로 확장한다. 즉, 도 76-78에 예시된 바와 같이, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')은 1 × 4 어레이의 인-커플링된 광 빔렛들(252(1)-252(4))로서 1차 도파관 장치(170)의 IC 엘리먼트(168)에 입력되고, 이 1 × 4 어레이의 인-커플링된 광 빔렛들(252(1)-252(4))은 차례로, OPE 엘리먼트(186)에 의해 1 × 4 어레이의 직교 광 빔렛들(254(1)-254(4))로 분할되고, 이 1 × 4 어레이의 직교 광 빔렛들(254(1)-254(4))은 추가로, EPE 엘리먼트(188)에 의해 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로 분할되며, 이 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)은 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)을 향하여 도파관(172)의 면(180b)을 출사한다.
[00347] 프리즘 평면들(212) 간의 거리(d)는 바람직하게는, 인접한 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256') 간의 거리(s)가 1차 도파관 장치(170)를 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 원하는 간격들과 동일하도록 선택된다. 예시된 실시예에서, 프리즘 평면들(212)은 프리즘 몸체(202)의 면들(214a, 214b)에 대해 45도 각도로 배향되며, 따라서 거리(d)는 다음과 같이 거리(s)의 함수로써 표현될 수 있다: d=s*sin 45°. 중요하게도, 1차 도파관 장치(170)에서의 도파관(172)의 두께는, 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)의 채우기가 가능하게 되도록, PPE(192e)의 프리즘 평면들(212) 간의 거리(d)의 배수들(이 경우, 프리즘 평면들(212) 간의 거리(d)의 2배)일 것이다.
[00348] 단지 프리즘 평면들(212)을 서로에 대해 위치함으로써 프리즘 평면들(212) 간의 거리(d)가 세팅되기 때문에, 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256) 간의 간격들은 제조 제한들에 대한 걱정 없이 임의로 세팅될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 즉, PPE(192e)가 프리즘 평면들(212) 사이의 광학 기판을 이용하는 것이 아니라 프리즘 평면들(212) 사이의 캐비티를 활용하기 때문에, 당업자는 그러한 광학 기판의 최소 두께와 관련된 제한들에 관심둘 필요가 없다.
[00349] 이제 도 80-89를 참조하면, 디스플레이 서브시스템(104)의 일부 실시예들은, 도 34-36에 예시된 상술된 도파관 장치(170)를 포함하는 종래의 PE, 그리고 예시된 실시예에서 IC 엘리먼트(168)에 장착된 다층형 미니-도파관 장치(220)의 형태를 취하는 PPE(192f)를 활용한다.
[00350] 미니-도파관 장치(220)는 1차 도파관 장치(170)의 IC 엘리먼트(168)의 사이즈에 비례하는 사이즈를 갖는다. 미니-도파관 장치(220)는 복수의 도파관 어셈블리들(222), 그리고 이 경우, 최상부 도파관 어셈블리(222a) 및 최하부 도파관 어셈블리(222b)를 포함한다. 아래에서 추가로 상세히 설명될 바와 같이, 각각의 도파관 어셈블리(222)는 하나 이상의 시준된 빔들 또는 빔렛들(최하부 도파관 어셈블리(222b)에서의 시준된 광 빔(250) 및 최상부 도파관 어셈블리(222b)에서의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')) 각각을 2 차원 어레이(이 경우, 4 × 4 어레이)의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256'))로 분할하도록 구성된다.
[00351] 도 83에 예시된 바와 같이, 본원에서 설명된 특정 미니-도파관 장치(220)에서는, 최하부 도파관 어셈블리(222b)는 단일의 시준된 광 빔(250)을 2 차원 어레이의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할하도록 기능하는 반면, 최상부 도파관 어셈블리(222a)는 최하부 도파관 어셈블리(222b)로부터의 2 차원 어레이의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 다수의 2 차원 어레이들의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")로 분할하도록 기능한다. 이를 위해, 최상부 도파관 어셈블리(222a)가 최하부 도파관 어셈블리(222b)로부터 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 수신하도록, 최상부 도파관 어셈블리(222a)와 최하부 도파관 어셈블리(222b)는 서로에 대해 배치된다. 예컨대, 아래에 예시될 바와 같이, 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 최상부 표면(224a)은 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 최하부 표면(224b)에 부착된다.
[00352] 추가로, 도 84 및 85a-85b를 참조하면, 각각의 도파관 어셈블리(222)는 최상부 직교 도파관 유닛(226a) 및 최하부 직교 도파관 유닛(226b)으로서 구성된 한 쌍의 직교 도파관 유닛들을 포함하는데, 이때, 최상부 직교 도파관 유닛(226a)의 최하부 표면(228b)은 최하부 직교 도파관 유닛(226b)의 최상부 표면(228a)에 부착된다. 직교 도파관 유닛들(226)은 서로 동일한데, 유일한 차이는 이들이 서로에 대해 직교하게 배향된다는 것이다. 각각의 직교 도파관 유닛(226)은 (도파관(172)과 관련하여 앞서 설명된 바와 같이) 단일의 유니터리 기판의 형태 또는 광학적으로 투명한 재료의 평면의 형태를 취하는 평면 광 도파관(230)을 포함한다. 개개의 직교 도파관 유닛들(226)의 평면 광 도파관들(230)은 동일하게 치수화되고, 이 평면 광 도파관들(230) 각각은 최상부 및 최하부 면들(230a, 230b)을 갖는다. 각각의 직교 도파관 유닛(226)은 개개의 평면 광 도파관(230)의 최하부 면(230b)과 연관된(예컨대, 그 상에 배치된) IC 엘리먼트(232), 및 평면 광 도파관(230)의 최상부 면(230a)과 각각 연관된(예컨대, 그 상에 배치된) EPE(234)를 더 포함한다.
[00353] 각각의 IC 엘리먼트(232)는 내반사성 광학 경로(최상부 직교 도파관 유닛(226a)의 경우 236a, 그리고 최하부 직교 도파관 유닛(226b)의 경우 236b)를 따라 TIR을 통한 전파를 위해 하나 이상의 광 빔들 또는 빔렛들을 개개의 평면 광 도파관(230)에 인-커플링하도록 구성되고, 그렇게 할 때, EPE 엘리먼트(234)와 반복적으로 교차한다. 1차 도파관 장치(170)의 EPE 엘리먼트(188)와 관련하여 앞서 설명된 것과 동일한 방식으로, EPE 엘리먼트(234)가 비교적 낮은 회절 효율성(예컨대, 50% 미만)을 가져서, EPE 엘리먼트(234)와의 각각의 교차점에서, 각각의 광 빔 또는 빔렛의 부분(예컨대, 90% 초과)은 개개의 내반사성 광학 경로(236)를 따라 계속 전파되고, 각각의 광 빔 또는 빔렛의 남아있는 부분은 개개의 평면 광 도파관(230)의 최상부 면(230a)을 출사하는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256')으로서 회절된다. 아래에 추가로 상세히 설명될 바와 같이, 예시된 실시예에서, IC 엘리먼트(232) 및 EPE 엘리먼트(234)의 사이즈들은 서로 동일하며, IC 엘리먼트(232) 및 EPE 엘리먼트(234)와 연관된 개개의 평면 광 도파관(230)의 사이즈에 비례하여서, 시준된 광 빔(250)의 동공 확장이 최대화되면서 또한, 최하부 직교 도파관 유닛(226b)으로부터 최상부 직교 도파관 유닛(226a)으로의 2 차원 어레이들의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 인-커플링을 가능하게 한다.
[00354] 도 84에 예시된 바와 같이, 직교 도파관 유닛들(226)의 IC 엘리먼트들(232)은 서로에 대해 직교하게 배향되어서, 개개의 도파관 어셈블리(222)의 최하부 면(224b)에 인-커플링된 각각의 광 빔 또는 빔렛(250 또는 256')은 도파관 어셈블리(222)의 최상부 면(224a)을 출사하는 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')(또는 256”)로 분할된다.
[00355] 특히, 각각의 도파관 어셈블리(222)의 IC 엘리먼트들(232)이 서로에 대해 직교하게 배향되어서, 최하부 직교 도파관 유닛(226b)과 연관된 IC 엘리먼트(232)는 제1 축(262)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라(이 경우, y-축을 따라) TIR을 통한 전파를 위해 광을 인-커플링하여서, 제1 축(262)을 따라 대응하는 EPE 엘리먼트(234)에 의해 광이 확장되는 한편(도 85b 참조), 최상부 직교 도파관 유닛(226a)과 연관된 IC 엘리먼트(232)는 제1 축(264)에 직교하는 제2 축(264)에 평행한 내반사성 광학 경로를 따라(이 경우, x-축을 따라) TIR을 통한 전파를 위해 각각의 광 빔 또는 빔렛을 인-커플링하여서, 제2 축(264)을 따라 대응하는 EPE 엘리먼트(234)에 의해 광이 확장된다(도 85a 참조).
[00356] 도 83과 관련하여 앞서 간략히 논의된 바와 같이, 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 최하부 면(224b)은 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 최상부 면(224a)에 부착되어서, 최하부 도파관 어셈블리(222a)의 출력은 최상부 도파관 어셈블리(222a)에 대한 입력으로서 제공되어, 이로써 단일의 시준된 광 빔(250)으로부터 다중 어레이들의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")이 생성된다.
[00357] 특히, 도 86a 및 86b를 추가로 참조하여, 최하부 도파관 어셈블리(222b)는 시준 엘리먼트(166)로부터 시준된 광 빔(250)을 수신하고, 시준된 광 빔(250)을 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 최상부 면(224a)을 출사하는 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할한다.
[00358] 즉, 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 최하부 직교 도파관 유닛(226b)과 연관된 IC 엘리먼트(224)는 축(262)(y-축)에 평행한 제1 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 개개의 평면 광 도파관(230) 내에서의 전파를 위해 초기 인-커플링된 광 빔(252')으로서 시준된 광 빔(250)을 광학적으로 커플링하며, 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 최하부 직교 도파관 유닛(226b)과 연관된 EPE 엘리먼트(226)는 시준된 광 빔(250)을, 개개의 최하부 직교 도파관 유닛(226b)의 최상부 면(228a)을 출사하는 1 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할한다.
[00359] 결국, 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 최상부 직교 도파관 유닛(226a)과 연관된 IC 엘리먼트(224)는 축(262)(y-축)에 평행한 제1 내반사성 광학 경로에 직교하는 축(264)(x-축)에 평행한 개개의 제2 내반사성 광학 경로들을 따라 TIR을 통해 개개의 평면 광 도파관(230) 내에서의 전파를 위해 초기 직교 광 빔렛들(254')로서 1 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 광학적으로 커플링하며, 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 최상부 직교 도파관 유닛(226b)과 연관된 EPE 엘리먼트(226)는 초기 직교 광 빔렛들(254')을, 개개의 최상부 직교 도파관 유닛(226b)의 최상부 면(228a)을 출사하는 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할한다.
[00360] 최상부 도파관 어셈블리(222a)는 최하부 도파관 어셈블리(222b)로부터 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 수신하고, 이 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을, 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 최상부 면(224a)을 출사하는 복수의 2 차원 어레이들의 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")로 분할한다.
[00361] 즉, 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 최하부 직교 도파관 유닛(226b)과 연관된 IC 엘리먼트(224)는 축(262)(y-축)에 평행한 제1 내반사성 광학 경로를 따라 TIR을 통해 개개의 평면 광 도파관(230) 내에서의 전파를 위해 중간 세트들의 인-커플링된 광 빔들(252")로서 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 광학적으로 커플링하며, 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 최하부 직교 도파관 유닛(226b)과 연관된 EPE 엘리먼트(226)는 중간 세트들의 인-커플링된 광 빔들(252")을, 개개의 최하부 직교 도파관 유닛(226b)의 최상부 면(228a)을 출사하는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이들의 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")로 분할한다.
[00362] 결국, 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 최상부 직교 도파관 유닛(226a)과 연관된 IC 엘리먼트(224)는 축(262)(y-축)에 평행한 제1 내반사성 광학 경로에 직교하는 개개의 제2 내반사성 광학 경로들(264)(x-축)을 따라 TIR을 통해 개개의 평면 광 도파관(230) 내에서의 전파를 위해 중간 직교 광 빔렛들(254")로서 2 차원 어레이들의 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")을 광학적으로 커플링하며, 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 최상부 직교 도파관 유닛(226a)과 연관된 EPE 엘리먼트(226)는 중간 직교 광 빔렛들(254")을, 개개의 최상부 직교 도파관 유닛(226a)의 최상부 면(228a)을 출사하는 2 차원 어레이들의 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")로 분할한다.
[00363] 따라서, 최하부 도파관 어셈블리(222b)는 시준된 광 빔(250)을 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')로 분할하고, 최상부 도파관 어셈블리(222a)는 2 차원 어레이의 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을, 몇몇 2 차원 어레이들의 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")로 분할한다. 2 차원 어레이의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256') 뿐만 아니라, 2 차원 어레이들의 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256") 각각은 빔렛간 간격(s1)을 가지며, 2 차원 어레이의 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")은 2 차원 어레이들의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')과 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256”)의 빔렛간 간격(s1)과는 상이한 어레이간 간격(s2)을 갖는다(예컨대, 도 89a 및 89b 참조). 아래에서 추가로 상세히 설명될 바와 같이, 어레이간 간격(s2)과 빔렛간 간격(s1)이 서로 비-배수들이어서, 광 빔렛들(256")은 PPE(192f)의 출구 동공의 채우기의 밀도, 및 이에 따라 디스플레이 스크린(110)의 출구 동공의 밀도를 최대화하는 방식으로 분배된다.
[00364] 특히, 빔렛간 간격(s1)은, 최하부 도파관 어셈블리(222b)의 도파관들(230)의 개개의 두께들에 의해 조정된다(dictated). 유사하게, 어레이간 간격(s2)은, 최상부 도파관 어셈블리(222a)의 도파관들(240)의 개개의 두께들에 의해 조정된다. 최상부 및 최하부 도파관 어셈블리들(222)의 도파관들(230)의 두께들은 시준된 광 빔(250)의 직경에 기반하여 전략적으로 선택될 수 있다. 일부 예들에서, 빔렛간 간격(s1)과 어레이간 간격(s2)은, 서로 상이하지만, PPE(192f)의 출구 동공의 채우기를 최대화하기 위해 각각 시준된 광 빔(250)의 직경의 배수일 수 있다.
[00365] 따라서, 빔렛간 간격(s1)은 시준된 광 빔(250)의 직경("d")의 배수("m")일 수 있으며, 따라서 s1 = m × d가 된다. 이 s1 값을 사용하여, 어레이간 간격(s2)은 다음과 같이 설명될 수 있다: s2 = s1 + d. 즉, s1 및 s2는 시준된 광 빔(250)의 직경의 연속 배수들일 수 있으며, 따라서 s2 = (m + 1) × d가 된다. 예컨대, 빔렛간 간격(s1)은 시준된 광 빔(250)의 직경의 3배의 직경일 수 있다. 이 s1 값을 사용하여, 어레이간 간격(s2)은 시준된 광 빔(250)의 직경의 4배일 수 있다. 아래에 예시된 실시예에서 예시된 바와 같이, 이는 어레이간 간격(s2)이 빔렛간 간격(s1)의 1.33배가 되게 한다.
[00366] 제1 및 제2 평면 광 도파관 어셈블리(222a, 222b)는, 도 83에 예시된 바와 같이, 동일하지 않은 두께들(t1, t2)을 각각 가지며, 이러한 두께들은 광 도파관 조립체들(222a, 222b)의 개개의 직교 도파관 유닛들(226a, 226b)에 포함된 개개의 평면 광 도파관들(230)의 두께에 의해 세팅된다. 예컨대, 도 86a 및 86b에 예시된 바와 같이, 최상부 평면 광 도파관 어셈블리(222a)에 통합된 평면 광 도파관들(230)의 두께들은 최하부 평면 광 도파관 어셈블리(222b)에 통합된 평면 광 도파관들(230)의 두께보다 더 크다. 바람직하게는, 제1 및 제2 빔렛간 간격(s1, s2), 따라서 제1 및 제2 평면 광 도파관 어셈블리들(222a, 222b)의 두께들(t1, t2)은 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(252")의 다수의 어레이들이 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(252')의 단일 어레이로부터 생성되는 것을 보장하도록 서로의 비-배수이다.
[00367] 앞서 간략히 논의된 바와 같이, 최하부 도파관 어셈블리(222b)는 시준된 광 빔(250)을 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이로 분할하고, 상부 도파관 어셈블리(222a)는 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이를 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")의 몇몇의 2-차원 어레이들로 분할한다. 다른 말로, 최하부 도파관 어셈블리(222b) 및 최상부 도파관 어셈블리(222a)는 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(252")의 원하는 패턴을 생성하기 위해 컨벌브된(convolved) 2개의 전달 함수들을 각각 생성한다.
[00368] 예컨대, 도 87a에 예시된 바와 같이, 최하부 도파관 어셈블리(222b)는 (제1 확장자로서) 가 되도록 제1 전달 함수(h1)를 가지며, 여기서 x는 최하부 도파관 어셈블리(222b)로의 광학 입력(직경 a의 광 빔)이고, y는 최하부 도파관 조립체(222b)로부터의 광학 출력이다. 이 예에서, 전달 함수(h1)는 3a의 거리만큼 서로 이격된 직경 a의 광 빔렛들의 4 × 4 어레이를 초래한다. 유사하게, 도 87b에 예시된 바와 같이, 최상부 도파관 어셈블리(222a)는 (제2 확장자로서) 가 되도록 제2 전달 함수(h2)를 가지며, 여기서 x는 최상부 도파관 어셈블리(222a)로의 광학 입력(직경 a의 광 빔)이고, y는 최하부 도파관 조립체(222a)로부터의 광학 출력이다. 이 예에서, 전달 함수(h2)는 4a의 거리만큼 서로 이격된 직경 a의 광 빔렛들의 4 × 4 어레이를 초래한다. 도 87c에 예시된 바와 같이, 전달 함수들(h1 및 h2)은 가 되도록 컨벌브될 수 있다. 따라서, (광학 입력 x로서) 시준된 광 빔(250)은 최하부 도파관 어셈블리(222b)로 입력될 수 있으며, 이는 전달 함수(h1)를 시준된 광 빔(250)에 적용하고 이로써, 도 87a에 예시된 빔 패턴을 갖는 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이를 생성한다. 최하부 도파관 어셈블리(222b)에 의해 출력된 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이는 최상부 도파관 어셈블리(222a)에 입력될 수 있으며, 이는 전달 함수(h2)를 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이에 적용하고, 이로써 중간 아웃-커플링된 광 빔렛(256")의 다수의 2 차원 어레이를 생성하며, 그 합성은 도 87c에 예시된 광 빔렛 패턴을 생성한다.
[00369] 이제 도 88 및 89a-89h를 참조하면, 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이가 최상부 광 도파관 어셈블리(222a)를 통해 전파함에 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")의 다수의 세대들이 확산된다. 결과적으로, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")의 밀도는, 완벽하게 채워진 아웃-커플링된 광 빔렛들(258')의 N × N의 어레이가 생성될 때까지(이 경우에, 아웃-커플링된 광 빔렛들(258')(도 89h에 도시됨)의 10 × 10 어레이임) 빔 분할의 몇몇의 세대들을 통해 최상부 평면 광 도파관 어셈블리(222a)의 상부면(224a)을 가로질러 왼쪽에서 오른쪽으로 그리고 위에서 아래로 점진적으로 증가한다. 예시된 실시예에서, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(1)"-256(16)")의 16개의 2 차원 어레이들(이 경우에, 4 × 4 어레이들)을 생성하는 빔 분할의 7 세대들은 아웃-커플링된 광 빔렛들(258')의 조밀하게 포화된 10 × 10 어레이를 초래한다. 도시된 바와 같이, "0"으로 지정된 빔렛들은 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256')의 2 차원 어레이의 빔렛들인 반면, "1"-"16"으로 지정된 빔렛들은 각각, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛(256(1)"-256(16)")의 16개의 2 차원 어레이들의 빔렛들이다. 특히, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")이 대응하는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')을 이해하는 것을 더 쉽게 하기 위한 레터링 방식이 도 89a-89h에서 사용된다. 이 레터링 방식 하에서, 도 87a에 예시된 최하부 도파관 어셈블리(222b)(제1 확장자)에 의해 출력되고 도 87b에 예시된 최상부 도파관 어셈블리(222a)(제2 확장자)에 입력되는 빔렛들(256')의 4 × 4 어레이 내의 각각의 빔렛은 상이한 알파벳 글자("A" 내지 "P")에 대응한다. 이러한 방식으로, 최상부 도파관 어셈블리(222a)(제2 확장자)에 의해 출력되는 각각의 빔렛(256")은 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(1)"-256(16)")의 특정 2 차원 어레이 및 관련된 빔렛들("A" 내지 "P")의 군(family) 둘 모두에 대응하는 것으로 보여질 수 있다.
[00370] 특히, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(1)")의 2 차원 어레이는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들(256')의 2 차원 어레이로부터 직접 생성된다(도 89a 참조). 제1 세대에서, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛(256(1)")의 2 차원 어레이는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(2)")의 2 차원 어레이 및 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(3)")의 2 차원 어레이를 산출한다(spawn)(도 89b 참조).
[00371] 제2 세대에서, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(2)")의 2 차원 어레이는 x-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(4)")의 2 차원 어레이를 산출하고; 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(2)" 및 256(3)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(5)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합되고; 그리고 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(3))의 2 차원 어레이는 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(6)")의 2 차원 어레이를 산출한다(도 89c 참조).
[00372] 제3 세대에서, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(4)")의 2 차원 어레이는 x-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(7)")의 2 차원 어레이를 산출하고; 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(4)" 및 256(5)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(8)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합되고; 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(5)" 및 256(6)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(9)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합되고; 그리고 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(6)")의 2 차원 어레이는 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(10)")의 2 차원 어레이를 산출한다(도 89d 참조).
[00373] 제4 세대에서, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(7)" 및 256(8)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(11)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합되고; 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(8)" 및 256(8)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(12)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합되고; 그리고 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(9)" 및 256(10)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(13)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합된다(도 89e 참조).
[00374] 제5 세대에서, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(11)" 및 256(12)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(14)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합되고; 그리고 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(12)" 및 256(13)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(15)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합된다(도 89f 참조).
[00375] 제6 세대에서, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(14)" 및 256(15)")의 2 차원 어레이 둘 모두는 각각 x-축 및 y-축을 따라 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256(16)")의 2 차원 어레이를 산출하도록 조합된다(도 89g 참조).
[00376] 도 89h에 예시된 광 빔렛 패턴에서 특정한 글자로 지정된 중간 아웃-커플링 광 빔렛들(256") 모두는 도 89a에 예시된 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256')의 2 차원 어레이의 동일한 특정한 글자를 갖는 대응하는 초기 아웃-커플링된 광 빔렛으로 역추적될 수 있다는 것이 인지될 수 있다. 예컨대, 글자 "A"로 지정된 중간 아웃-커플링된 광 빔렛(256")의 4 × 4 어레이는 글자 "A"로 지정된 단일 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256a)으로부터 유도될 수 있다는 것을 도 90a에서 알 수 있다. 다른 예로서, 글자 "D"로 지정된 중간 아웃-커플링된 광 빔렛(256")의 4 × 4 어레이는 글자 "D"로 지정된 단일 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256a)으로부터 유도될 수 있다는 것을 도 90b로부터 알 수 있다. 또 다른 예로서, 글자 "M"로 지정된 중간 아웃-커플링된 광 빔렛(256")의 4 × 4 어레이는 글자 "M"로 지정된 단일 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256a)으로부터 유도될 수 있다는 것을 도 90c로부터 알 수 있다. 또 다른 예로서, 글자 "P"로 지정된 중간 아웃-커플링된 광 빔렛(256")의 4 × 4 어레이는 글자 "P"로 지정된 단일 초기 아웃-커플링된 광 빔렛(256a)으로부터 유도될 수 있다는 것을 도 90d로부터 알 수 있다.
[00377] PPE(192f)는 시준된 광 빔(250)의 유효 입사 동공을 2 차원적으로 사전-확장시킨다는 것이 상기로부터 인지될 수 있다. 도 34-36과 관련하여 위에서 설명된 것과 동일한 방식으로, 1 차 도파관 장치(170)는 시준된 광 빔(250)의 동공을 추가로 2 차원적으로 확장시킨다. 즉, 중간 아웃-커플링된 광 빔렛들(256")은 인-커플링된 광 빔렛들(252)로서 주 도파관 장치(170)의 IC 엘리먼트(168)에 입력되며, 이는 차례로 OPE 엘리먼트(186)에 의해 직교 광 빔렛들(254)로 분할되며, 이 직교 광 빔렛들은 도 80-82에 예시된 바와 같이, EPE 엘리먼트(188)에 의해 최종 사용자(50)의 눈(들)(52)을 향해 도파관(172)의 면(180b)을 출사하는 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들(256)로 추가로 분할된다. 특히, PPE(192f)는 아마도 아웃-커플링된 빔렛들(258')의 포화된 10 × 10 2 차원 어레이보다 큰 출사 동공을 제공하는 아웃-커플링된 빔렛들(256")의 많은 2 차원 어레이를 생성하지만, 1 차 도파관 장치(170)는 PPE(192f)가 아웃-커플링된 빔렛들(258')의 10 × 10 2 차원 어레이로만 구성된 출구 동공을 갖는다고 가정하도록 설계된다.
[00378] 다층형 미니 도파관 장치(220) 그 자체는 PPE(192f)로서 사용하기에 적합하지만, 더 큰 버전의 다층형 도파관 장치(220)는 주 도파관 장치(170)에 인-커플링된 시준된 광 빔(250)(미확장 또는 사전-확장)의 입사 동공을 확장하기 위해 1 차 도파관 장치(170)로서 사용될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
[00379] 빔 증배기들은 OPE 및 EPE로서 위에서 설명되었지만, 본원에서 설명된 실시예들에 따른 빔 증배기들은 LOE의 어느 곳에나 배치될 수 있다. 예컨대, 본원에서 설명된 빔 증배기들은 LOE의 다양한 부분들 사이(예컨대, ICG와 OPE 사이)에 별개의 증배 스테이지/구역으로서 배치될 수 있다. 추가로, 본원에서 설명된 빔 증배기들은 ICG들로서 기능할 수 있다.
[00380] 특정 수의 빔들 및 빔렛들이 도면들 중 일부에 묘사되지만, 이는 명확성을 위한 것이라는 것이 인지되어야 한다. 도면들 중 일부에 묘사된 각각의 단일 빔 또는 빔렛은 관련된 정보를 운반하고 유사한 궤적들을 갖는 복수의 빔들 또는 빔렛들을 표현한다.
[00381] 특정 수의 LOS들 및 반사 표면들이 도면들 중 일부에 묘사되지만, 다른 실시예들은 LOS들 및 반사 표면들의 다른 조합들을 포함할 수 있다.
[00382] 위에서 설명된 MR 시스템들은 보다 선택적 반사성 광학 엘리먼트들로부터 혜택을 받을 수 있는 다양한 광학 시스템들의 예들로서 제공된다. 그에 따라서, 본원에서 설명된 광학 시스템들의 사용은 개시된 MR 시스템들로 제한되지 않으며, 오히려 임의의 광학 시스템에 적용 가능하다.
[00383] 본 개시내용의 다양한 예시적인 실시예들이 본원에서 설명된다. 비-제한적인 의미로 이들 예들에 대한 참조가 이루어진다. 그 예들은, 본 개시내용의 보다 광범위하게 적용 가능한 양상들을 예시하기 위해 제공된다. 다양한 변화들이 설명된 발명에 대해 행해질 수 있으며, 등가물들이 본 개시내용의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 대체될 수 있다. 게다가, 다수의 수정들은, 특정 상황, 재료, 재료의 구성, 프로세스, 프로세스 행위(들) 또는 단계(들)를 본 개시내용의 목적(들), 사상 또는 범위에 적응시키도록 행해질 수 있다. 추가로, 본원에서 설명되고 예시된 개별 변동들 각각은, 본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 몇몇의 실시예들 중 임의의 실시예의 특징들로부터 쉽게 분리될 수 있거나 이들과 결합될 수 있는 이산 컴포넌트들 및 특징들을 갖는다는 것이 당업자들에 의해 인지될 것이다. 그러한 모든 수정들은, 본 개시내용과 연관된 청구항들의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
[00384] 본 개시내용은, 본 발명의 디바이스들을 사용하여 수행될 수 있는 방법들을 포함한다. 방법들은, 그러한 적절한 디바이스를 제공하는 동작을 포함할 수 있다. 그러한 프로비전은 최종 사용자에 의해 수행될 수 있다. 다른 말로, "제공하는" 행위는 단지, 최종 사용자가 본 방법에서 필수적인 디바이스를 제공하도록 획득, 액세스, 접근, 포지셔닝, 셋-업, 활성화, 파워-업 또는 달리 행동하는 것을 요구한다. 본원에서 언급된 방법들은, 논리적으로 가능한 임의의 순서의 인용된 이벤트들뿐만 아니라 언급된 순서의 이벤트들로 수행될 수 있다.
[00385] 본 개시내용의 예시적인 양상들은, 재료 선택 및 제조에 대한 세부사항들과 함께 위에서 기술되었다. 본 개시내용의 다른 세부사항들에 대해, 이들은, 위에서-참조된 특허들 및 공개공보들과 관련하여 인지될 뿐만 아니라 당업자들에 의해 일반적으로 알려지거나 인지될 수 있다. 이들은 공통적으로 또는 논리적으로 이용되는 바와 같은 추가적인 행위들 면에서 본 개시내용의 방법-기반 양상들에 적용될 수 있다.
[00386] 게다가, 본 개시내용이 다양한 특징들을 선택적으로 포함하는 몇몇의 예들을 참조로 설명되었지만, 본 개시내용은, 본 개시내용의 각각의 변동에 대해 고려된 바와 같이 설명되거나 표시된 것으로 제한되지 않을 것이다. 다양한 변화들이 설명된 발명에 대해 행해질 수 있으며, (본원에서 언급되었는지 또는 일부 간략화를 위해 포함되지 않았는지 여부에 관계없이) 등가물들이 본 개시내용의 실제 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 대체될 수 있다. 게다가, 다양한 값들이 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 모든 각각의 중간 값 및 그 언급된 범위 내의 임의의 다른 언급된 또는 중간 값이 본 개시내용 내에 포함되는 것으로 해석된다.
[00387] 또한, 설명된 본 발명의 변동들의 임의의 선택적인 특징이 본원에 설명된 특징들 중 임의의 하나 이상에 독립적으로 또는 그와 조합하여 기술되고 청구될 수 있다는 것이 고려된다. 단수 아이템에 대한 참조는, 복수의 동일한 아이템들이 존재하는 가능성을 포함한다. 보다 구체적으로, 본원 및 본원에 연관된 청구항들에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들은, 명확하게 달리 언급되지 않으면 복수의 지시 대상들을 포함한다. 다른 말로, 단수들의 사용은 본 개시내용과 연관된 청구항들뿐 아니라 위의 설명의 청구대상 아이템 중 "적어도 하나"를 허용한다. 이 청구항들이 임의의 선택적인 엘리먼트를 배제하도록 작성될 수 있다는 것에 추가로 주목한다. 이로써, 이런 서술은 청구항 엘리먼트들의 나열과 관련하여 "오로지", "오직" 등 같은 그런 배타적인 용어의 사용, 또는 "네거티브" 제한의 사용을 위한 선행 기초로서 역할을 하도록 의도된다.
[00388] 그런 배타적 용어의 사용 없이, 본 개시내용과 연관된 청구항들에서 포함하는" 이라는 용어는, 정해진 수의 엘리먼트들이 그런 청구항들에 열거되는지, 또는 특징의 추가가 그 청구항들에 기술된 엘리먼트의 성질을 변환하는 것으로 간주될 수 있는지 여부에 무관하게 임의의 추가적인 엘리먼트의 포함을 허용할 수 있다. 본원에 구체적으로 정의된 바를 제외하고, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 청구항 유효성을 유지하면서 가능한 한 공통적으로 이해되는 의미로 넓게 제공되어야 한다.
[00389] 본 개시내용의 범위는 제공된 예들 및/또는 본원 명세서로 제한되는 것이 아니라, 오히려 본 개시내용과 연관된 청구항 문언의 범위에 의해서만 제한된다.
[00390] 위의 명세서에서, 본 개시내용은 본 발명의 특정 실시예들을 참조로 설명되었다. 그러나, 본 개시내용의 더 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 수정들 및 변경들이 본 개시내용에 이루어질 수 있다는 것은 명백할 것이다. 예컨대, 위에서-설명된 프로세스 흐름들은, 프로세스 동작들의 특정한 순서를 참조로 설명된다. 그러나, 설명된 프로세스 액션들 대부분의 순서는 본 개시내용의 범위 또는 동작에 영향을 주지 않으면서 변경될 수 있다. 그에 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주될 것이다.
[00391] 위의 명세서에서, 본 개시내용은 본 발명의 특정 실시예들을 참조로 설명되었다. 그러나, 본 개시내용의 더 넓은 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 수정들 및 변경들이 본 개시내용에 이루어질 수 있다는 것은 명백할 것이다. 예컨대, 위에서-설명된 프로세스 흐름들은, 프로세스 동작들의 특정한 순서를 참조로 설명된다. 그러나, 설명된 프로세스 동작들 대부분의 순서는 본 개시내용의 범위 또는 동작에 영향을 주지 않으면서 변경될 수 있다. 그에 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주될 것이다.
Claims (34)
- 가상 이미지 생성 시스템으로서,
이미징 엘리먼트로부터 시준된 광 빔을 수신하고, 상기 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 PPE(pre-pupil expansion) 엘리먼트;
평면 광 도파관;
상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들을, 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서, 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트; 및
상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 상기 평면 광 도파관의 면을 출사하는 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한 상기 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들
을 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 시준된 광 빔은 입사 동공을 정의하고, 상기 한 세트의 초기 아웃-커플링 된 광 빔렛들은 상기 입사 동공보다 큰 사전-확장 동공을 정의하고, 그리고 상기 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들은 상기 사전-확장 동공보다 큰 출사 동공을 정의하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제2 항에 있어서,
상기 사전-확장 동공은 상기 입사 동공보다 적어도 10배 더 크고, 상기 출사 동공은 상기 사전-확장 동공보다 적어도 10배 더 큰,
가상 이미지 생성 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들은 2 차원 광 빔렛 어레이로서 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링되고, 상기 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들은 2 차원 광 빔렛 어레이로서 상기 평면 광 도파관의 면을 출사하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들은 1 차원 광 빔렛 어레이로서 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링되고, 그리고 상기 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들은 2 차원 광 빔렛 어레이로서 상기 평면 광 도파관의 면을 출사하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 회절 엘리먼트들은, 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 한 세트의 직교 광 빔렛들로 추가로 분할하기 위하여 상기 평면 광 도파관과 연관된 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트 및 상기 한 세트의 직교 광 빔렛들을 상기 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위하여 상기 평면 광 도파관과 연관된 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트를 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 PPE 엘리먼트는:
상기 시준된 광 빔을 초기 세트의 발산 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 회절 빔 분할기; 및
상기 초기 세트의 발산 광 빔렛들을 상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 재-시준하도록 구성된 렌즈
를 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제7 항에 있어서,
상기 회절 빔 분할기는 1 × N 빔 분할기인,
가상 이미지 생성 시스템. - 제7 항에 있어서,
상기 회절 빔 분할기는 M × N 빔 분할기인,
가상 이미지 생성 시스템. - 제7 항에 있어서,
상기 렌즈는 회절 렌즈인,
가상 이미지 생성 시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 PPE 엘리먼트는 상기 시준된 광 빔을 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 프리즘을 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 프리즘은 솔리드 프리즘(solid prism)인,
가상 이미지 생성 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 프리즘은 캐비티 프리즘(cavity prism)인,
가상 이미지 생성 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 프리즘은 상기 시준된 광 빔을 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 반-반사성 프리즘 평면을 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 가상 이미지 생성 시스템으로서,
이미징 엘리먼트로부터 시준된 광 빔을 수신하고, 상기 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 PPE(pre-pupil expansion) 엘리먼트;
평면 광 도파관;
상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들을, 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서, 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트; 및
상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 상기 평면 광 도파관의 면을 출사하는 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한 상기 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들
을 포함하고,
상기 하나 이상의 회절 엘리먼트들은, 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 한 세트의 직교 광 빔렛들로 추가로 분할하기 위하여 상기 평면 광 도파관과 연관된 OPE(orthogonal pupil expansion) 엘리먼트 및 상기 한 세트의 직교 광 빔렛들을 상기 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위하여 상기 평면 광 도파관과 연관된 EPE(exit pupil expansion) 엘리먼트를 포함하고,
상기 PPE 엘리먼트는:
미니-평면 광 도파관;
상기 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 직교 광 빔렛들로 분할하기 위한, 상기 미니-평면 광 도파관과 연관된 미니-OPE 엘리먼트; 및
상기 한 세트의 초기 직교 광 빔렛들을 상기 미니-평면 광 도파관의 면을 출사하는 상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한, 상기 미니-평면 광 도파관과 연관된 미니-EPE 엘리먼트
를 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제15 항에 있어서,
상기 PPE 엘리먼트는 상기 시준된 광 빔을 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 미니-IC 엘리먼트를 더 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 가상 이미지 생성 시스템으로서,
이미징 엘리먼트로부터 시준된 광 빔을 수신하고, 상기 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 PPE(pre-pupil expansion) 엘리먼트;
평면 광 도파관;
상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들을, 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서, 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트; 및
상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 상기 평면 광 도파관의 면을 출사하는 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한 상기 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들
을 포함하고,
상기 PPE 엘리먼트는 상기 시준된 광 빔을 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 프리즘을 포함하고,
상기 프리즘은 상기 시준된 광 빔을 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 반-반사성 프리즘 평면을 포함하고, 그리고
상기 프리즘은 상기 시준된 광 빔을 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 복수의 병렬 프리즘 평면들을 포함하고, 두 개의 병렬 프리즘 평면들은 상기 반-반사성 프리즘 평면을 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제17 항에 있어서,
상기 복수의 병렬 프리즘 평면들은 완전 반사성 프리즘 평면을 포함하고, 상기 시준된 광 빔의 일부는 제1 방향으로 적어도 하나의 반-반사성 프리즘에 의해 반사되고, 상기 시준된 광 빔의 일부는 상기 제1 방향으로의 반사를 위해 상기 완전 반사성 프리즘 평면으로 투과되는,
가상 이미지 생성 시스템. - 가상 이미지 생성 시스템으로서,
이미징 엘리먼트로부터 시준된 광 빔을 수신하고, 상기 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 PPE(pre-pupil expansion) 엘리먼트;
평면 광 도파관;
상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들을, 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서, 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트; 및
상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 상기 평면 광 도파관의 면을 출사하는 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한 상기 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들
을 포함하고,
상기 PPE 엘리먼트는 상기 시준된 광 빔을 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 프리즘을 포함하고, 그리고
상기 프리즘은, 상기 시준된 광 빔을, 제1 방향으로 반사되는 한 세트의 초기 직교 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 제1 세트의 병렬 프리즘 평면들, 및 상기 초기 직교 광 빔렛들을, 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 반사되는 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 제2 세트의 병렬 프리즘 평면들을 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제19 항에 있어서,
상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 서로 직교하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 가상 이미지 생성 시스템으로서,
이미징 엘리먼트로부터 시준된 광 빔을 수신하고, 상기 시준된 광 빔을 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하도록 구성된 PPE(pre-pupil expansion) 엘리먼트;
평면 광 도파관;
상기 한 세트의 초기 아웃-커플링된 광 빔렛들을, 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서, 상기 평면 광 도파관에 광학적으로 커플링시키도록 구성된 IC(in-coupling) 엘리먼트; 및
상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들을 상기 평면 광 도파관의 면을 출사하는 한 세트의 최종 아웃-커플링된 광 빔렛들로 분할하기 위한 상기 평면 광 도파관과 연관된 하나 이상의 회절 엘리먼트들
을 포함하고,
상기 PPE 엘리먼트는:
상기 시준된 광 빔을 제1 평면 광 도파관 어셈블리의 면을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 2 차원 어레이로 분할하도록 구성된 상기 제1 평면 광 도파관 어셈블리 ― 상기 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이는 빔렛간 간격(inter-beamlet spacing)을 가짐 ―; 및
상기 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이를 상기 한 세트의 인-커플링된 광 빔렛들로서 제2 평면 광 도파관 어셈블리의 면을 출사하는 아웃-커플링된 광 빔렛들의 다수의 2 차원 어레이들로 분할하도록 구성된 상기 제2 평면 광 도파관 어셈블리 ― 상기 다수의 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이들은, 상기 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이의 빔렛간 간격과 상이한 어레이간 간격(inter-array spacing)에 의해 서로 공간적으로 오프셋 됨 ―
를 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 2 차원 광 빔렛 어레이는 N × N 광 빔렛 어레이인,
가상 이미지 생성 시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 다수의 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이들의 어레이간 간격 및 상기 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이의 빔렛간 간격은 서로 비-배수들인,
가상 이미지 생성 시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 다수의 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이들의 어레이간 간격은 상기 2 차원 아웃-커플링된 광 빔렛 어레이의 빔렛간 간격보다 큰,
가상 이미지 생성 시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 제1 평면 광 도파관 어셈블리 및 상기 제2 평면 광 도파관 어셈블리는 각각 동일하지 않은 두께를 갖는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제21 항에 있어서,
상기 제1 평면 광 도파관 어셈블리는:
대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제1 평면 광 도파관;
제1 광학 경로를 따라 TIR(total internal reflection)을 통한 상기 제1 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 상기 시준된 광 빔을 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제1 IC(in-coupling) 엘리먼트;
상기 시준된 광 빔을 상기 제1 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 1 차원 광 빔렛 어레이로 분할하기 위한, 상기 제1 평면 광 도파관과 연관된 제1 EPE(exit pupil expander) 엘리먼트;
대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제2 평면 광 도파관;
상기 제1 광학 경로에 수직인 개개의 제2 광학 경로들에 따른, TIR을 통한 상기 제2 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 상기 1 차원 광 빔렛 어레이를 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제2 IC 엘리먼트; 및
상기 1 차원 광 빔렛 어레이를 상기 제2 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 상기 2 차원 광 빔렛 어레이로 분할하기 위한, 상기 제2 평면 광 도파관과 연관된 제2 EPE(exit pupil expander) 엘리먼트
를 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제26 항에 있어서,
상기 제2 평면 광 도파관의 제1 면은 상기 제1 평면 광 도파관의 제2 면에 부착되는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제26 항에 있어서,
상기 제1 평면 광 도파관 및 상기 제2 평면 광 도파관은 각각 동일한 두께들을 갖는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제26 항에 있어서,
상기 제2 평면 광 도파관 어셈블리는:
대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 평면 광 도파관;
개개의 제3 광학 경로들에 따른, TIR을 통한 상기 제3 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 상기 2 차원 광 빔렛 어레이를 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제3 IC 엘리먼트;
상기 2 차원 광 빔렛 어레이를 상기 제3 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 복수의 2 차원 광 빔렛 어레이들로 분할하기 위한, 상기 제3 평면 광 도파관과 연관된 제3 EPE 엘리먼트;
대향하는 제1 면 및 제2 면을 갖는 제4 평면 광 도파관;
상기 제3 광학 경로들에 수직인 개개의 제4 광학 경로들에 따른, TIR을 통한 상기 제4 평면 광 도파관 내에서의 전파를 위해 상기 복수의 2 차원 광 빔렛 어레이들을 광학적으로 커플링시키도록 구성된 제4 IC 엘리먼트; 및
상기 복수의 2 차원 광 빔렛 어레이들을 입력 세트의 광 빔렛들로서 상기 제4 평면 광 도파관의 제2 면을 출사하는 다수의 2 차원 광 빔렛 어레이들로 분할하기 위한, 상기 제4 평면 광 도파관과 연관된 제4 EPE 엘리먼트
를 포함하는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제29 항에 있어서,
상기 제4 평면 광 도파관의 제1 면은 상기 제3 평면 광 도파관의 제2 면에 부착되는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제30 항에 있어서,
상기 제3 평면 광 도파관의 제1 면은 상기 제2 평면 광 도파관의 제2 면에 부착되는,
가상 이미지 생성 시스템. - 제31 항에 있어서,
상기 제1 평면 광 도파관 및 상기 제2 평면 광 도파관의 동일한 두께들은 상기 제3 평면 광 도파관 및 상기 제4 평면 광 도파관의 동일한 두께들과 상이한,
가상 이미지 생성 시스템. - 제32 항에 있어서,
상기 제3 평면 광 도파관 및 상기 제4 평면 광 도파관의 동일한 두께들은 상기 제1 평면 광 도파관 및 상기 제2 평면 광 도파관의 동일한 두께들보다 큰,
가상 이미지 생성 시스템. - 제29 항에 있어서,
상기 제1 평면 광 도파관 및 상기 제2 평면 광 도파관은 각각 동일한 두께들을 가지고, 그리고 상기 제3 평면 광 도파관 및 상기 제4 평면 광 도파관은 각각 동일한 두께들을 가지는,
가상 이미지 생성 시스템.
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